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ES2975982T3 - Optical microscopy - Google Patents

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ES2975982T3
ES2975982T3 ES19809896T ES19809896T ES2975982T3 ES 2975982 T3 ES2975982 T3 ES 2975982T3 ES 19809896 T ES19809896 T ES 19809896T ES 19809896 T ES19809896 T ES 19809896T ES 2975982 T3 ES2975982 T3 ES 2975982T3
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ES
Spain
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light
particle
objective lens
coherent light
reflected
Prior art date
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Active
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ES19809896T
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Spanish (es)
Inventor
Tuomas Pertti Jonathan Knowles
Pavan Kumar Challa
Kadi Liis Saar
Quentin Alexis Peter
Zenon Toprakcioglu
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Cambridge Enterprise Ltd
Original Assignee
Cambridge Enterprise Ltd
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Abstract

Un método para aumentar el contraste de interferencia en microscopía óptica de dispersión interferométrica. El método comprende proporcionar una región de detección de partículas que comprende una cámara o canal que tiene un límite definido por una o más interfaces, iluminar una partícula en la región de detección de partículas con luz coherente usando una lente objetivo de manera que la luz se refleja desde la interfaz y se dispersa por la partícula, capturando la luz reflejada y la luz dispersada usando la lente objetivo, y proporcionando la luz reflejada y dispersada capturada a un dispositivo de imágenes para visualizar la interferencia entre la luz reflejada y la luz dispersada. La partícula se ilumina con luz coherente en un ángulo oblicuo con respecto a la interfaz. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)A method for enhancing interference contrast in interferometric scattering optical microscopy. The method comprises providing a particle detection region comprising a chamber or channel having a boundary defined by one or more interfaces, illuminating a particle in the particle detection region with coherent light using an objective lens such that the light is reflected from the interface and scattered by the particle, capturing the reflected light and scattered light using the objective lens, and providing the captured reflected and scattered light to an imaging device for visualizing interference between the reflected light and scattered light. The particle is illuminated with coherent light at an oblique angle to the interface. (Automatic translation with Google Translate, no legal value)

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

Microscopía óptica Optical microscopy

Campo Field

Esta invención se refiere en general a la microscopía óptica de dispersión interferométrica. This invention relates generally to interferometric scattering optical microscopy.

El trabajo que condujo a esta invención ha recibido financiación del Consejo Europeo de Investigación en el ámbito del Séptimo Programa Fotograma de la Unión Europea (FP7/2007-2013)/acuerdo de subvención ERC No. 337969. El proyecto que ha dado lugar a esta solicitud ha recibido financiación del programa Horizonte 2020 de la Unión Europea programa de investigación e innovación en virtud del acuerdo de subvención No. 766972. El proyecto que dio lugar a esta solicitud ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención Marie Sklodowska-Curie No. 674979. The work leading to this invention has received funding from the European Research Council under the European Union's Seventh Frame Programme (FP7/2007–2013)/ERC grant agreement No. 337969. The project giving rise to this application has received funding from the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No. 766972. The project giving rise to this application has received funding from the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under Marie Sklodowska-Curie grant agreement No. 674979.

Antecedentes Background

La microscopía óptica de dispersión interferométrica (iSCAT) es una técnica en la que una partícula fotografiada se ilumina con luz coherente y la señal resulta de la interferencia entre la luz dispersada por la partícula y una luz de referencia reflejada desde una interfaz cercana. Esta interferencia puede dar como resultado señales que se amplifican en comparación con otros enfoques, y la técnica es capaz de detectar moléculas individuales sin etiquetas, como moléculas biológicas, por ejemplo, proteínas/complejos de proteínas. Sin embargo, la señal de interferencia puede ser muy pequeña y difícil de detectar y, por lo general, la configuración iSCAT crea una reflexión espuria que limita la relación señal-ruido alcanzable. Interferometric scattering optical microscopy (iSCAT) is a technique in which an imaged particle is illuminated with coherent light and the signal results from interference between the light scattered by the particle and a reference light reflected from a nearby interface. This interference can result in signals that are amplified compared to other approaches, and the technique is capable of detecting single, unlabeled molecules such as biological molecules, e.g. proteins/protein complexes. However, the interference signal can be very small and difficult to detect, and typically the iSCAT setup creates spurious reflection which limits the achievable signal-to-noise ratio.

Con más detalle, la señal iSCAT se puede separar en tres componentes: la intensidad del láser reflejada, la intensidad dispersa y la interferencia entre las dos. La intensidad del láser reflejado es dominante pero no transmite ninguna información, la intensidad dispersada es demasiado débil para detectarla y sólo la interferencia es útil. In more detail, the iSCAT signal can be separated into three components: the reflected laser intensity, the scattered intensity, and the interference between the two. The reflected laser intensity is dominant but does not convey any information, the scattered intensity is too weak to be detected, and only the interference is useful.

Como se describe en Arroyo et al, "Microscopía de dispersión interferométrica y su combinación con imágenes de fluorescencia de una sola molécula", Nature Protocols, vol. 11, núm. 4, pág. 617, 2016, "La alineación del haz de iluminación es fundamental para la calidad de la imagen final. Por lo tanto, para garantizar una alineación adecuada, es imperativo que el haz [de iluminación] viaje recto a través del objetivo a lo largo de su eje óptico". Sin embargo, esta disposición plantea el problema de que, a pesar de utilizar revestimientos antirreflectantes de muy alta calidad, una pequeña fracción de la luz incidente se refleja desde la parte posterior del lente objetivo. Como el láser de iluminación tiene una longitud de coherencia corta, del orden de cientos de micrones para un diodo láser, esta reflexión espuria puede reducir la relación señal/ruido y el contraste en un orden de magnitud. Sin embargo, el uso de una "longitud de coherencia larga conduce a la interferencia de casi cualquier reflexión dentro de la configuración experimental, lo que resulta en ruido de imagen adicional" (ibid). As described in Arroyo et al, “Interferometric scattering microscopy and its combination with single-molecule fluorescence imaging,” Nature Protocols, vol. 11, no. 4, p. 617, 2016, “Alignment of the illumination beam is critical to the final image quality. Therefore, to ensure proper alignment, it is imperative that the [illumination] beam travels straight through the objective along its optical axis.” However, this arrangement raises the problem that despite using very high-quality antireflection coatings, a small fraction of the incident light is reflected from the back of the objective lens. Since the illumination laser has a short coherence length, on the order of hundreds of microns for a laser diode, this spurious reflection can reduce the signal-to-noise ratio and contrast by an order of magnitude. However, the use of a "long coherence length leads to interference from almost any reflection within the experimental setup, resulting in additional image noise" (ibid).

Una forma de aumentar el contraste se describe en Cole et al., "Label-Free Single-Molecule Imaging with Numerical-Aperture-Shaped Interferometric Scattering Microscopy" ACS Photonics 20174(2), 211-216, y también en WO2018/0l. One way to increase contrast is described in Cole et al., "Label-Free Single-Molecule Imaging with Numerical-Aperture-Shaped Interferometric Scattering Microscopy" ACS Photonics 20174(2), 211-216, and also in WO2018/0l.

1591. Utiliza una máscara de fase parcialmente transmisiva que reduce la intensidad de la luz de fondo que llega al detector, aumentando así el contraste interferométrico. Una técnica muy similar que implica una máscara parcialmente transmisiva se describe en Liebel et al., "UltraSENSITIVE Label-Free Nanosensing and High-Speed Tracking of Single Proteins", Nano Letters 2017, 17(2), 1277-1281. 1591. It uses a partially transmissive phase mask that reduces the intensity of the background light reaching the detector, thus increasing the interferometric contrast. A very similar technique involving a partially transmissive mask is described in Liebel et al., "UltraSENSITIVE Label-Free Nanosensing and High-Speed Tracking of Single Proteins", Nano Letters 2017, 17(2), 1277-1281.

Sin embargo, estas técnicas tienen desventajas, por ejemplo, artefactos marginales y distorsión de la imagen; también pueden mejorar el fondo relativo de la rugosidad de la superficie de la interfaz. De manera contraria a la intuición, utilizar una máscara de fase como la descrita por Cole et al. mejora el contraste, pero no cambia la relación señalruido (esto se debe a que la señal es interferométrica). Por lo tanto, si bien la técnica puede ayudar si el microscopio está limitado por la velocidad de fotogramas de la cámara y puede facilitar el enfoque, no mejora la relación señalruido, que es el parámetro crucial. However, these techniques have drawbacks, for example, fringe artifacts and image distortion; they may also enhance the relative background of interface surface roughness. Counterintuitively, using a phase mask as described by Cole et al. improves contrast, but does not change the signal-to-noise ratio (this is because the signal is interferometric). Therefore, while the technique may help if the microscope is limited by the camera frame rate and can facilitate focusing, it does not improve the signal-to-noise ratio, which is the crucial parameter.

Se pueden encontrar más antecedentes de la técnica anterior en Goldfain et al. "Dynamic measurements of the position, orientation, and DNA content of individual unlabeled bacteriophages", Journal of Phys. Chem. B, vol. 120(26), págs. 6130-6138, 2016; W02017/041809; W02015/059682; W02018/189187; W02018/047239; US2012/218629; y Konopka et al. "Variable-angle epifluorescence microscopy: a new way to look at protein dynamics in the plant cell cortex" Plant Journal, vol. 53(1), págs. 186-196, 2008. EP3276389Al propone un sistema de imágenes de dispersión interferométrica de trayectoria común. Joanna Andrecka et al: "Direct Observation and Control of Supported Lipid Bilayer Formation with Interferometric Scattering Microscopy", ACS Nano, vol. 7 núm. 12, 23 de diciembre de 2013 (2013-12-23, páginas 10662-10670, propone microscopía de dispersión interferométrica. El documento WO 02/086578A2 propone un microscopio de campo oscuro. Pache C et al: "Dark-field Optical Coherence Microscopy", Proceedings of s P iE/IS&T, vol. 7554, 25 de enero de 2010 (201001-25), páginas 755425-1 propone la microscopía de coherencia óptica de campo oscuro Matthias D. Koch et al: "Label-free imaging and bending analysis of Microtubules by ROCS Microscopy and Optical Trapping", Biophysical Journal, vol. 114, No. 1, 1 de enero de 2018 (2018-01-01), páginas 168-177 propone microscopía ROCS en modo de campo oscuro. Further prior art background can be found in Goldfain et al. “Dynamic measurements of the position, orientation, and DNA content of individual unlabeled bacteriophages”, Journal of Phys. Chem. B, vol. 120(26), pp. 6130-6138, 2016; W02017/041809; W02015/059682; W02018/189187; W02018/047239; US2012/218629; and Konopka et al. “Variable-angle epifluorescence microscopy: a new way to look at protein dynamics in the plant cell cortex” Plant Journal, vol. 53(1), pp. 186-196, 2008. EP3276389Al proposes a common path interferometric scattering imaging system. Joanna Andrecka et al: “Direct Observation and Control of Supported Lipid Bilayer Formation with Interferometric Scattering Microscopy,” ACS Nano, vol. 7 no. 12, 23 December 2013 (2013-12-23, pages 10662-10670), proposes interferometric scattering microscopy. WO 02/086578A2 proposes a dark-field microscope. Pache C et al: "Dark-field Optical Coherence Microscopy", Proceedings of s P iE/IS&T, vol. 7554, 25 January 2010 (201001-25), pages 755425-1 proposes dark-field optical coherence microscopy Matthias D. Koch et al: "Label-free imaging and bending analysis of Microtubules by ROCS Microscopy and Optical Trapping", Biophysical Journal, vol. 114, No. 1, 1 January 2018 (2018-01-01), pages 168-177 proposes ROCS microscopy in dark field mode.

Resumen Summary

Por lo tanto, en un aspecto se describe un método para aumentar el contraste de la señal (de interferencia) en microscopía óptica de dispersión interferométrica. El método comprende proporcionar una región de detección de partículas que tiene un límite definido por una o más interfaces. La región de detección de partículas puede comprender una cámara o canal, o la región de detección de partículas puede comprender una gotita de líquido sobre una superficie ópticamente transmisiva, como un cubreobjetos. El método comprende, además, iluminar una partícula en la región de detección de partículas con luz coherente usando un lente objetivo de manera que la luz se refleja desde la interfaz y se dispersa por la partícula. El método comprende además capturar la luz reflejada y la luz dispersada usando el lente objetivo. El método comprende además proporcionar la luz reflejada y dispersada capturada a un dispositivo de formación de imágenes para visualizar la interferencia entre la luz reflejada y la luz dispersada. El lente objetivo tiene un eje óptico. El dispositivo de obtención de imágenes puede comprender una óptica de obtención de imágenes y, es decir, seguido en una trayectoria óptico, un detector. Thus, in one aspect there is disclosed a method for increasing signal (interference) contrast in interferometric scattering optical microscopy. The method comprises providing a particle detection region having a boundary defined by one or more interfaces. The particle detection region may comprise a chamber or channel, or the particle detection region may comprise a liquid droplet on an optically transmissive surface, such as a coverslip. The method further comprises illuminating a particle in the particle detection region with coherent light using an objective lens such that the light is reflected from the interface and scattered by the particle. The method further comprises capturing the reflected light and the scattered light using the objective lens. The method further comprises providing the captured reflected and scattered light to an imaging device for visualizing interference between the reflected light and the scattered light. The objective lens has an optical axis. The imaging device may comprise imaging optics and, i.e., followed in an optical path, a detector.

En las implementaciones, el método comprende además proporcionar la luz coherente en un ángulo oblicuo con respecto a la interfaz, para iluminar la partícula. Por lo tanto, el método comprende además proporcionar la luz coherente al lente objetivo fuera del eje, es decir, desplazada del eje óptico del lente objetivo. La luz coherente, por ejemplo, se puede proporcionar luz láser o luz procedente de una fuente LED de banda estrecha al lente objetivo en una dirección paralela y desviada del eje óptico. In implementations, the method further comprises providing the coherent light at an oblique angle relative to the interface, to illuminate the particle. Thus, the method further comprises providing the coherent light to the objective lens off-axis, i.e., offset from the optical axis of the objective lens. The coherent light, for example, may be laser light or light from a narrowband LED source provided to the objective lens in a direction parallel to and offset from the optical axis.

Por lo tanto, en las implementaciones, en lugar de ser normal a la interfaz, la luz que ilumina la partícula comprende un haz colimado en un ángulo oblicuo con respecto a la interfaz. Expresado de otra manera, un ángulo de incidencia entre el haz y una normal a la interfaz es mayor que 0 grados y menor que 90 grados; Si el haz no está colimado con precisión, el ángulo medio de incidencia puede ser mayor que cero grados. En implementaciones, el ángulo de incidencia es menor que un ángulo crítico en la interfaz. Thus, in implementations, rather than being normal to the interface, the light illuminating the particle comprises a beam collimated at an oblique angle to the interface. Stated another way, an angle of incidence between the beam and a normal to the interface is greater than 0 degrees and less than 90 degrees; if the beam is not precisely collimated, the mean angle of incidence may be greater than zero degrees. In implementations, the angle of incidence is less than a critical angle at the interface.

Así, en las implementaciones, la luz coherente proporcionada en un ángulo oblicuo con respecto a la interfaz comprende un haz paralelo o colimado. El haz puede ser colimado por el lente objetivo; de este modo, la luz coherente puede enfocarse en un plano focal posterior del lente objetivo. La luz coherente puede propagarse a lo largo de un eje paralelo al eje óptico del lente objetivo, por ejemplo, la luz láser puede estar alineada paralela pero desviada del eje óptico del lente objetivo. Por el contrario, la luz reflejada y dispersada se captura en una dirección a lo largo del eje óptico del lente objetivo. Thus, in implementations, the coherent light provided at an oblique angle to the interface comprises a parallel or collimated beam. The beam may be collimated by the objective lens; thus, the coherent light may be focused on a back focal plane of the objective lens. The coherent light may propagate along an axis parallel to the optical axis of the objective lens, for example, the laser light may be aligned parallel to but offset from the optical axis of the objective lens. Conversely, the reflected and scattered light is captured in a direction along the optical axis of the objective lens.

En algunas implementaciones, un ángulo de incidencia de la luz coherente en la interfaz puede ser mayor que un valor de ángulo en el que, en el dispositivo de imágenes, una intensidad de la luz reflejada es mayor que una intensidad de la luz reflejada desde una superficie posterior del lente objetivo. El ángulo de incidencia puede ser menor que este valor de ángulo más 5, 10 o 20 grados. Por ejemplo, el ángulo de incidencia en el rango de 1-30, 3-20 o 5-15 grados, por ejemplo, alrededor de 10 grados. In some implementations, an angle of incidence of the coherent light at the interface may be greater than an angle value at which, at the imaging device, an intensity of the reflected light is greater than an intensity of the light reflected from a rear surface of the objective lens. The angle of incidence may be less than this angle value plus 5, 10, or 20 degrees. For example, the angle of incidence is in the range of 1-30, 3-20, or 5-15 degrees, e.g., about 10 degrees.

No es esencial que la luz coherente se enfoque precisamente en un plano focal posterior del objetivo, y la técnica funcionará cuando la luz que ilumina la partícula no esté colimada con precisión. It is not essential that the coherent light be focused precisely on a back focal plane of the objective, and the technique will work when the light illuminating the particle is not precisely collimated.

Estas técnicas pueden mejorar enormemente la relación señal a ruido y también el contraste de la imagen del patrón de interferencia. En implementaciones, el reflejo espurio procedente de la parte posterior del lente objetivo se puede eliminar sustancialmente, recogiendo únicamente el reflejo que interfiere. Mientras el láser está enfocado en el plano focal posterior, está fuera de eje; la distancia del eje del láser al eje óptico del lente objetivo cambia el ángulo de incidencia de la luz desde el objetivo. Por lo tanto, el reflejo espurio procedente de la parte posterior del objetivo no se refleja directamente en la cámara. Esto impide que el reflejo espurio llegue a la cámara y no reduce la relación señal a ruido; en lugar de ello, principalmente o sólo la reflexión interfiriente, por ejemplo, de una interfaz vidrio-agua del microscopio. En términos generales, al iluminar en un ángulo oblicuo con respecto a la luz dispersada, se puede reducir el nivel de la señal reflejada del fondo, aumentando la relación señal a ruido, así como el contraste de interferencia. La intensidad de la luz reflejada desde la interfaz depende del ángulo (como se esperaba de la ley de Snell), pero la relación señal a ruido no. Sin embargo, en caso de incidencia normal, existe una contribución adicional de la reflexión espuria que reduce sustancialmente la señal a ruido. These techniques can greatly improve the signal-to-noise ratio and also the image contrast of the interference pattern. In implementations, the spurious reflection from the back of the objective lens can be substantially eliminated, collecting only the interfering reflection. While the laser is focused on the back focal plane, it is off-axis; the distance from the laser axis to the optical axis of the objective lens changes the angle of incidence of the light from the objective. Therefore, the spurious reflection from the back of the objective is not reflected directly into the camera. This prevents the spurious reflection from reaching the camera and does not reduce the signal-to-noise ratio; instead, mostly or only the interfering reflection, for example from a glass-water interface of the microscope, is reflected. Generally speaking, by illuminating at an oblique angle to the scattered light, the level of the reflected signal from the background can be reduced, increasing the signal-to-noise ratio as well as the interference contrast. The intensity of the light reflected from the interface is angle-dependent (as expected from Snell's law), but the signal-to-noise ratio is not. However, in the case of normal incidence, there is an additional contribution from spurious reflection which substantially reduces the signal to noise.

En algunas implementaciones, una superficie posterior del lente objetivo está curvada, por ejemplo, abovedada, en lugar de plano. En este caso, se puede obtener un beneficio adicional ya que la reflexión espuria forma un ligero ángulo con respecto a la luz entrante. Esto desvía la reflexión espuria, por ejemplo, lejos del dispositivo óptico/de imágenes posterior, por ejemplo, en las paredes del detector. In some implementations, a rear surface of the objective lens is curved, e.g. domed, rather than flat. In this case, an additional benefit can be gained as the spurious reflection is at a slight angle to the incoming light. This deflects the spurious reflection, e.g., away from the rear optical/imaging device, e.g., onto the detector walls.

Algunas implementaciones de esta técnica son particularmente, pero no exclusivamente, adecuadas para obtener imágenes de partículas en solución, por ejemplo, solución acuosa. Las partículas pueden comprender moléculas o complejos moleculares, tales como moléculas/complejos biológicos, por ejemplo, proteínas, complejos proteicos o anticuerpos. De manera más general, las partículas pueden tener una dimensión máxima que sea inferior a una longitud de onda de la luz coherente, o inferior a la mitad de esta longitud de onda. Dichas partículas pueden incluir nanopartículas metálicas u otras, partículas coloides, partículas poliméricas, virus, exosomas y otras vesículas extracelulares, proteínas y biopartículas en general. Some implementations of this technique are particularly, but not exclusively, suitable for imaging particles in solution, e.g., aqueous solution. Particles may comprise molecules or molecular complexes, such as biological molecules/complexes, e.g., proteins, protein complexes, or antibodies. More generally, particles may have a maximum dimension that is less than a wavelength of coherent light, or less than half this wavelength. Such particles may include metallic or other nanoparticles, colloid particles, polymeric particles, viruses, exosomes and other extracellular vesicles, proteins, and bioparticles in general.

Como se describe más adelante, en implementaciones las partículas pueden iluminarse en el ángulo oblicuo usando luz polarizada cerca del ángulo de Brewster, a través del lente objetivo, para recoger la luz de interferencia, reduciendo así el nivel de señal reflejada de fondo y aumentando el contraste de interferencia. Si bien iluminar en un ángulo oblicuo puede reducir el nivel de luz dispersa capturada por el lente objetivo en la dirección del eje, en general se puede mejorar el contraste. As described below, in implementations the particles may be illuminated at the oblique angle using light polarized near the Brewster angle, through the objective lens, to collect interfering light, thereby reducing the level of background reflected signal and increasing interference contrast. While illuminating at an oblique angle may reduce the level of scattered light captured by the objective lens in the on-axis direction, contrast can generally be improved.

En caso de ángulos oblicuos muy grandes (con respecto al eje óptico), la relación señal a ruido puede volver a disminuir. Por lo tanto, el método puede comprender ajustar el ángulo oblicuo para maximizar la relación señala a ruido de la interferencia entre la luz reflejada y la luz dispersada, es decir, para maximizar el contraste de interferencia. El contraste de interferencia se puede determinar a la salida del dispositivo de formación de imágenes, es decir, a partir de la imagen capturada de la interferencia. Esto se debe a que la respuesta del dispositivo de imágenes, como su sensibilidad/nivel de ruido inherente, también puede afectar esta compensación. El dispositivo de imágenes puede ser un dispositivo de imágenes 1D o 2D, por ejemplo, una cámara. El ángulo óptimo también puede depender de la rugosidad de la superficie de la interfaz. In case of very large oblique angles (with respect to the optical axis), the signal to noise ratio may decrease again. Therefore, the method may comprise adjusting the oblique angle to maximize the signal to noise ratio of the interference between the reflected light and the scattered light, i.e. to maximize the interference contrast. The interference contrast may be determined at the output of the imaging device, i.e. from the captured image of the interference. This is because the response of the imaging device, such as its inherent sensitivity/noise level, may also affect this trade-off. The imaging device may be a 1D or 2D imaging device, for example a camera. The optimal angle may also depend on the surface roughness of the interface.

A medida que el ángulo de incidencia aumenta alejándose de los 0 grados, es decir, a medida que la iluminación se vuelve más oblicua, el efecto del reflejo espurio desde la parte posterior del lente objetivo disminuye, pero el patrón de interferencia se vuelve más distorsionado. Por lo tanto, en algunas implementaciones, el ángulo oblicuo se selecciona de modo que la intensidad de la luz procedente de los reflejos espurios sea igual o menor que la intensidad de la luz reflejada desde la interfaz de la cámara o canal (como se mide en el dispositivo de imágenes), pero no sustancialmente mayor que este valor, por ejemplo, no más de 10, 20 o 30 grados mayores que este valor. As the angle of incidence increases away from 0 degrees, i.e., as the illumination becomes more oblique, the effect of spurious reflection from the back of the objective lens decreases, but the interference pattern becomes more distorted. Therefore, in some implementations, the oblique angle is selected such that the intensity of light from spurious reflections is equal to or less than the intensity of light reflected from the camera or channel interface (as measured at the imaging device), but not substantially greater than this value, for example, no more than 10, 20, or 30 degrees greater than this value.

Una forma de mejorar el contraste de interferencia sin necesidad de dicho ángulo oblicuo y, por lo tanto, con menos reducción del retorno disperso, es polarizar la luz coherente iluminadora. Más particularmente, en algunas implementaciones el método comprende además polarizar linealmente la luz coherente de modo que su vector de campo eléctrico esté parcial o completamente polarizado con respecto a un plano de incidencia de la luz coherente en la interfaz. One way to improve interference contrast without the need for such an oblique angle, and thus with less reduction in backscattered, is to polarize the illuminating coherent light. More particularly, in some implementations the method further comprises linearly polarizing the coherent light such that its electric field vector is partially or completely polarized with respect to a plane of incidence of the coherent light at the interface.

Luego, el ángulo de iluminación se puede ajustar aún más para que esté cerca del ángulo de Brewster para la interfaz en la longitud de onda de iluminación, aunque puede no ser exactamente en el ángulo de Brewster ya que se necesita algo de luz reflejada para la interferencia (aunque como el láser no está típicamente perfectamente colimado todavía hay algo de reflexión incluso si está exactamente en el ángulo de Brewster). Por ejemplo, el ángulo de iluminación puede ser sustancialmente el ángulo de Brewster, es decir, puede estar lo suficientemente cerca del ángulo de Brewster como para que la reflectancia de la interfaz para la luz coherente sea inferior al 10 %, 1 % o 0.1 %, o para que la intensidad de la luz reflejada sea mayor que la luz dispersada. The illumination angle can then be further tuned to be close to the Brewster angle for the interface at the illumination wavelength, although it may not be exactly at the Brewster angle since some reflected light is needed for interference (although since the laser is typically not perfectly collimated there is still some reflection even if it is exactly at the Brewster angle). For example, the illumination angle can be substantially the Brewster angle, i.e. it can be close enough to the Brewster angle that the reflectance of the interface to coherent light is less than 10%, 1%, or 0.1%, or so that the intensity of the reflected light is greater than the scattered light.

También o en su lugar se puede utilizar un filtro o máscara espacial para aumentar el contraste del patrón de interferencia, en particular cambiando la intensidad de la luz reflejada. El filtro o máscara espacial puede estar situado en un plano focal del microscopio, más particularmente en un plano focal de la luz reflejada y dispersada capturada, por ejemplo, en un plano focal posterior o plano de Fourier del lente objetivo. A spatial filter or mask may also or instead be used to increase the contrast of the interference pattern, in particular by changing the intensity of the reflected light. The spatial filter or mask may be located in a focal plane of the microscope, more particularly in a focal plane of the reflected and scattered light captured, for example, in a back focal plane or Fourier plane of the objective lens.

En implementaciones, la luz reflejada se desplaza desde el eje óptico del lente objetivo en una dirección opuesta al desplazamiento (desde el eje óptico) de la trayectoria óptica de la luz coherente hasta el lente objetivo. Por lo tanto, el filtro espacial puede estar fuera del eje, por ejemplo, configurado para enmascarar selectivamente una región del plano de Fourier desplazada del eje óptico, y puede ser asimétrico alrededor del eje óptico dejando desenmascarada la luz coherente iluminadora y/o una región en el eje del plano focal posterior. Normalmente, el centro del plano de Fourier sobre/alrededor del eje óptico contiene información importante relacionada con la señal de interferencia deseada, y las implementaciones del método facilitan el filtrado espacial lejos de esta ubicación en una parte menos importante del plano de Fourier. En general, la máscara puede tener una transmitancia baja pero distinta de cero. In implementations, the reflected light travels from the optical axis of the objective lens in a direction opposite to the offset (from the optical axis) of the coherent light's optical path to the objective lens. Thus, the spatial filter may be off-axis, e.g., configured to selectively mask a region of the Fourier plane offset from the optical axis, and may be asymmetric about the optical axis leaving the illuminating coherent light and/or a region on the back focal plane axis unmasked. Typically, the center of the Fourier plane on/around the optical axis contains important information related to the desired interference signal, and implementations of the method facilitate spatial filtering away from this location into a less important portion of the Fourier plane. In general, the mask may have a low but non-zero transmittance.

En las implementaciones, la máscara espacial reduce la intensidad tanto de la luz reflejada como del ruido y, por lo tanto, puede dejar la relación señal a ruido relativamente sin cambios (ver más adelante para una discusión más detallada). Sin embargo, reducir la intensidad de la luz reflejada puede aumentar el contraste: debido a que la señal es interferométrica, la relación señal a ruido y el contraste están algo desacoplados entre sí. In implementations, the spatial mask reduces the intensity of both the reflected light and the noise, and can therefore leave the signal-to-noise ratio relatively unchanged (see below for further discussion). However, reducing the intensity of the reflected light can increase contrast: because the signal is interferometric, the signal-to-noise ratio and contrast are somewhat decoupled from each other.

La técnica iSCAT se basa en la interferencia entre la luz reflejada y la dispersada, y estas se superponen en el detector (dispositivo de imágenes), donde se forma un patrón de interferencia. En el plano focal posterior del objetivo, la luz dispersada se propaga a lo largo del plano focal posterior, pero la luz reflejada se enfoca en una ubicación específica (aunque se propaga a través del detector porque hay una transformada de Fourier entre el plano focal posterior y el detector). En esta ubicación específica en el plano focal posterior del objetivo, una máscara puede atenuar selectivamente la luz reflejada. The iSCAT technique is based on interference between reflected and scattered light, and these are superimposed at the detector (imaging device), where an interference pattern is formed. At the back focal plane of the objective, the scattered light propagates along the back focal plane, but the reflected light is focused at a specific location (although it propagates through the detector because there is a Fourier transform between the back focal plane and the detector). At this specific location in the back focal plane of the objective, a mask can selectively attenuate the reflected light.

Por lo tanto, en algunas implementaciones la máscara (filtro espacial) puede ser pequeña, por ejemplo, correspondiente a un tamaño del punto focal del láser (por ejemplo, ancho total a la mitad del máximo), para reducir la pérdida de información. La máscara puede tener forma de disco. La máscara puede ser parcialmente transmisiva, como se describe más adelante, por ejemplo, bloquear más del 50 %, 75 %, 90 % o 94 % de la luz que incide sobre la máscara, pero menos del 100 %, 99 % o 95 % de la luz, por ejemplo, bloqueando alrededor del 99 % de la luz. Therefore, in some implementations the mask (spatial filter) may be small, for example corresponding to a laser focal spot size (e.g. full width at half maximum), to reduce information loss. The mask may be disk-shaped. The mask may be partially transmissive, as described below, for example blocking more than 50%, 75%, 90%, or 94% of the light incident on the mask, but less than 100%, 99%, or 95% of the light, for example blocking about 99% of the light.

En algunas implementaciones, la máscara puede proporcionarse sobre un soporte sustancialmente transparente. Si no se puede acceder al plano focal posterior, la máscara aún puede estar ubicada en un plano de enfoque del láser, que puede estar un poco desplazado del plano focal posterior, es decir, el láser puede desenfocarse un poco (o el láser puede enfocarse en el plano focal posterior plano focal posterior, pero el filtro está un poco desplazado y con una región de filtrado ligeramente más grande de lo que tendría de otro modo). In some implementations, the mask may be provided on a substantially transparent support. If the back focal plane is not accessible, the mask may still be located in a focusing plane of the laser, which may be slightly offset from the back focal plane, i.e. the laser may be slightly out of focus (or the laser may be focused on the back focal plane, but the filter is slightly offset and with a slightly larger filtering region than it would otherwise have).

Cuando se utiliza para obtener imágenes de una partícula en solución (en lugar de limitarse a una superficie de vidrio), el método puede comprender además limitar el movimiento de la partícula en una dirección a lo largo del eje óptico, When used to image a particle in solution (rather than confined to a glass surface), the method may further comprise limiting the motion of the particle in a direction along the optical axis,

es decir, la dirección z, a menos de una distancia 2^ÁTÁ’^2'o^4’ donde A donde es la longitud de onda de la luz coherente (en la solución). Esto se puede hacer, por ejemplo, dimensionando adecuadamente la cámara o canal, por ejemplo, A that is, the z direction, less than a distance 2^ÁTÁ’^2'o^4’ where A where is the wavelength of the coherent light (in the solution). This can be done, for example, by appropriately sizing the chamber or channel, e.g., A

proporcionando un par de límites opuestos espaciados por esta distancia en la dirección z. Un rango de<2>representa un rango de contraste máximo a contraste cero en la imagen de interferencia. Restringir de esta manera el movimiento A providing a pair of opposite boundaries spaced by this distance in the z direction. A range of <2> represents a range from maximum contrast to zero contrast in the interference image. In this way restricting motion A

de las partículas, por ejemplo, hacia dentro de 4’, facilita el seguimiento de la partícula porque se inhibe que la partícula desaparezca de la vista (y reaparezca en otro lugar). Sin embargo, no es esencial que el movimiento en la dirección z A A of the particles, for example, towards inside 4', facilitates tracking of the particle because the particle is inhibited from disappearing from view (and reappearing elsewhere). However, it is not essential that the motion in the z direction A A

se limite a A o 4, para obtener algún beneficio. Como se describió anteriormente, el método utiliza dispersión y no, por ejemplo, fluorescencia. Por lo tanto, la partícula puede ser una partícula no fluorescente. La partícula puede estar libre de etiquetas. En general, el método se utiliza fuera de resonancia, es decir, lejos de un pico/borde de absorción de la partícula. Sin embargo, esto no es esencial y, en principio, se puede utilizar luz cercana a un pico/borde de absorción. be limited to A or 4, to obtain any benefit. As described above, the method uses scattering and not, for example, fluorescence. Therefore, the particle can be a non-fluorescent particle. The particle can be label-free. In general, the method is used off-resonance, i.e. far from an absorption peak/edge of the particle. However, this is not essential and in principle light close to an absorption peak/edge can be used.

En un aspecto relacionado se describe un microscopio óptico de dispersión interferométrica. En implementaciones, el microscopio comprende una región de detección de partículas, por ejemplo, que comprende una cámara o canal o una gota sobre una superficie, teniendo la región de detección de partículas un límite definido por una interfaz, una fuente de luz coherente tal como un láser, y un lente objetivo para dirigir la luz coherente para iluminar una partícula en la región de detección de la partícula de manera que la luz se refleja desde la interfaz y se dispersa por la partícula. El lente objetivo tiene un eje óptico y está configurado para capturar la luz reflejada y la luz dispersada. El microscopio comprende además un dispositivo de formación de imágenes configurado para visualizar la interferencia entre la luz reflejada y la luz dispersada. La luz coherente que ilumina la partícula forma un ángulo oblicuo con respecto a la interfaz. De este modo, una trayectoria óptica de la luz coherente hacia el lente objetivo está desplazada del eje óptico del lente objetivo. En implementaciones, la luz coherente puede proporcionarse al lente objetivo en una dirección paralela y desviada del eje óptico. In a related aspect, an interferometric scattering optical microscope is described. In implementations, the microscope comprises a particle detection region, for example, comprising a chamber or channel or a droplet on a surface, the particle detection region having a boundary defined by an interface, a coherent light source such as a laser, and an objective lens for directing the coherent light to illuminate a particle in the particle detection region such that the light is reflected from the interface and scattered by the particle. The objective lens has an optical axis and is configured to capture the reflected light and the scattered light. The microscope further comprises an imaging device configured to visualize the interference between the reflected light and the scattered light. The coherent light illuminating the particle is at an oblique angle relative to the interface. Thus, an optical path of the coherent light to the objective lens is offset from the optical axis of the objective lens. In implementations, the coherent light may be provided to the objective lens in a direction parallel to and offset from the optical axis.

En algunas implementaciones, la fuente de luz coherente está polarizada linealmente como se describió anteriormente. In some implementations, the coherent light source is linearly polarized as described above.

Así, la luz coherente que ilumina la partícula puede estar parcial o completamente polarizada p con respecto a un plano de incidencia de la luz coherente sobre la interfaz. Thus, the coherent light illuminating the particle may be partially or completely p-polarized with respect to a plane of incidence of the coherent light on the interface.

En algunas implementaciones, la fuente de luz coherente está polarizada lineal o circularmente, y se proporciona un analizador con una polarización ortogonal en una trayectoria óptica entre la partícula y el dispositivo de formación de imágenes. Esto puede proporcionar una señal que depende de una asimetría de forma de la partícula, pero con una relación señal a ruido reducida. In some implementations, the coherent light source is linearly or circularly polarized, and an analyzer with an orthogonal polarization is provided in an optical path between the particle and the imaging device. This may provide a signal that depends on a shape asymmetry of the particle, but with a reduced signal-to-noise ratio.

Una trayectoria óptica entre el lente objetivo y la fuente de luz coherente puede incluir un divisor de haz para separar la luz reflejada y dispersada devuelta de la luz de iluminación incidente, pero esto no es esencial ya que en las implementaciones estas dos trayectorias de luz están en diferentes posiciones espaciales con respecto a el eje óptico. El dispositivo de imágenes puede comprender un sensor de imágenes 1D o 2D, por ejemplo, un sensor EMCCD (dispositivo acoplado de carga multiplicadora de electrones) o una cámara CMOS rápida, y un elemento óptico como un lente o espejo para enfocar la luz devuelta al sensor. An optical path between the objective lens and the coherent light source may include a beam splitter to separate the returned reflected and scattered light from the incident illumination light, but this is not essential since in implementations these two light paths are at different spatial positions relative to the optical axis. The imaging device may comprise a 1D or 2D image sensor, for example an EMCCD (electron-multiplying charge-coupled device) sensor or a fast CMOS camera, and an optical element such as a lens or mirror to focus the returned light onto the sensor.

En algunas implementaciones, el microscopio/método está configurado para procesar la interferencia de la imagen para determinar una diferencia entre la interferencia de la imagen en dos momentos diferentes, por ejemplo, usando un procesador bajo control de programa almacenado. Por ejemplo, se puede determinar un cuadro de diferencia entre dos cuadros de imagen de interferencia, o grupos de cuadros, capturados por el dispositivo de imágenes. El fotograma de diferencia puede ser transformado de Fourier, por ejemplo, por el procesador, para determinar una imagen de Fourier. Esto puede luego procesarse para caracterizar la partícula o una solución de las partículas, por ejemplo, seleccionando una porción de la imagen de Fourier dentro de un círculo de dispersión esperado. El círculo de dispersión esperado puede comprender una región de la imagen de Fourier dentro de la cual está/debería estar confinada la interferencia entre la luz reflejada y la luz dispersada de la(s) partícula(s). La región de la imagen de Fourier dentro del círculo de dispersión esperado puede procesarse, por ejemplo, para determinar un nivel o medida de dispersión en esta región, para caracterizar la(s) partícula(s) o una solución de las partículas. In some implementations, the microscope/method is configured to process the image interference to determine a difference between the image interference at two different times, e.g., using a processor under stored program control. For example, a difference frame may be determined between two interference image frames, or groups of frames, captured by the imaging device. The difference frame may be Fourier transformed, e.g., by the processor, to determine a Fourier image. This may then be processed to characterize the particle or a solution of the particles, e.g., by selecting a portion of the Fourier image within an expected scattering circle. The expected scattering circle may comprise a region of the Fourier image within which the interference between reflected light and scattered light from the particle(s) is/should be confined. The region of the Fourier image within the expected scattering circle can be processed, for example, to determine a level or measure of scattering in this region, to characterize the particle(s) or a solution of the particles.

Otras características del microscopio pueden corresponder a las del método descrito anteriormente, es decir, el microscopio puede incluir sistemas/dispositivos para implementar estas características. Other features of the microscope may correspond to those of the method described above, i.e. the microscope may include systems/devices to implement these features.

Dibujos Drawings

Estos y otros aspectos del sistema se describirán ahora con mayor detalle únicamente a modo de ejemplo, con referencia a las figuras adjuntas, en las que: These and other aspects of the system will now be described in greater detail by way of example only, with reference to the accompanying figures, in which:

La Figura 1 muestra un diagrama esquemático de un microscopio óptico de dispersión interferométrica (iSCAT). Figure 1 shows a schematic diagram of an interferometric scattering optical microscope (iSCAT).

Las Figuras 2a y 2b ilustran, respectivamente, técnicas de iluminación normal e iluminación de ángulo oblicuo para el microscopio óptico iSCAT de la Figura 1, y la Figura 2c muestra una modificación del microscopio de la Figura 1 para implementar iluminación de ángulo oblicuo de acuerdo con una realización de la invención. Figures 2a and 2b illustrate, respectively, normal illumination and oblique angle illumination techniques for the iSCAT optical microscope of Figure 1, and Figure 2c shows a modification of the microscope of Figure 1 to implement oblique angle illumination in accordance with one embodiment of the invention.

Las Figuras 3a y 3b ilustran, respectivamente, imágenes capturadas utilizando las técnicas de iluminación de incidencia normal y oblicua de la Figura 2. Figures 3a and 3b illustrate, respectively, images captured using the normal and oblique incidence illumination techniques of Figure 2.

La Figura 4 muestra, esquemáticamente, detalles de la geometría óptica de otro ejemplo de un microscopio iSCAT con iluminación de ángulo oblicuo. Figure 4 shows, schematically, details of the optical geometry of another example of an iSCAT microscope with oblique angle illumination.

La Figura 5 muestra un gráfico de contraste e intensidad de la señal iSCAT vista por la cámara frente al ángulo de incidencia. Figure 5 shows a graph of contrast and intensity of the iSCAT signal seen by the camera versus incidence angle.

La Figura 6 muestra imágenes de interferencia de ejemplo de una partícula fuertemente dispersada (fila superior) y los patrones de interferencia predichos correspondientes (fila inferior). Figure 6 shows example interference images of a strongly scattered particle (top row) and the corresponding predicted interference patterns (bottom row).

La Figura 7 muestra transformadas de Fourier de imágenes de interferencia capturadas en diferentes ángulos de incidencia en un microscopio iSCAT. Figure 7 shows Fourier transforms of interference images captured at different incidence angles on an iSCAT microscope.

La Figura 8 muestra la geometría óptica relacionada con la generación de hologramas. Figure 8 shows the optical geometry related to hologram generation.

En las figuras, los elementos similares se indican con números de referencia similares. In the figures, similar elements are indicated by similar reference numbers.

Descripción Description

Con referencia a la Figura 1, ésta muestra un diagrama esquemático de un microscopio óptico 100 de dispersión interferométrica (iSCAT). El microscopio comprende un láser 102 de onda continua que proporciona un haz 104 de luz coherente a un elemento de enfoque, el lente 108, que enfoca el haz en el plano focal posterior 110 de un lente objetivo de microscopio 112. En este ejemplo, el láser está en el visible, a 445 nm, y el espejo 106 dobla su trayectoria óptica hacia el lente 108. El láser puede tener una longitud de coherencia superior a 50 pm o 100 pm y/o menos de 100 mm o 10 mm. Referring to Figure 1, this shows a schematic diagram of an interferometric scattering (iSCAT) optical microscope 100. The microscope comprises a continuous wave laser 102 that provides a coherent light beam 104 to a focusing element, lens 108, which focuses the beam onto the back focal plane 110 of a microscope objective lens 112. In this example, the laser is in the visible, at 445 nm, and its optical path is bent by the mirror 106 toward the lens 108. The laser may have a coherence length greater than 50 pm or 100 pm and/or less than 100 mm or 10 mm.

El lente objetivo 112, que puede ser un objetivo de inmersión en aceite, puede ajustarse para proporcionar una iluminación generalmente uniforme en una región de detección 114. En el ejemplo de la Figura 1, la región de detección 114 está definida por una cámara o canal 116 con superficies superior e inferior 116a,b, fabricados, por ejemplo, de vidrio o polímero. La cámara/canal 116 puede contener una solución 118, tal como una solución acuosa (es decir, agua), que contiene una o más partículas 120 de las que se van a formar imágenes. En algunas otras disposiciones, las partículas que van a ser imágenes pueden inmovilizarse sobre una superficie de vidrio, tal como la superficie de un cubreobjetos. En algunas implementaciones, la distancia entre las superficies 116a,b puede ser del orden de la mitad de la longitud de onda de la luz coherente en la solución, para mantener una vista de la partícula m representada. The objective lens 112, which may be an oil immersion objective, may be adjusted to provide generally uniform illumination in a detection region 114. In the example of Figure 1, the detection region 114 is defined by a chamber or channel 116 with upper and lower surfaces 116a,b, made of, for example, glass or polymer. The chamber/channel 116 may contain a solution 118, such as an aqueous solution (i.e., water), containing one or more particles 120 to be imaged. In some other arrangements, the particles to be imaged may be immobilized on a glass surface, such as the surface of a coverslip. In some implementations, the distance between the surfaces 116a,b may be on the order of one-half the wavelength of coherent light in the solution, to maintain a view of the imaged particle m.

La iluminación se refleja desde una interfaz reflectante 122, por ejemplo, entre la superficie inferior 116a de la cámara/canal 116 y la solución 118. La iluminación también es dispersada por la(s) partícula(s) 120. Tanto la luz reflejada como la luz dispersada son capturadas por el lente objetivo 112, devuelta a lo largo de la trayectoria óptica de la iluminación, y se dirige a una trayectoria separada 124 mediante un divisor de haz 126. Luego se obtienen imágenes de la luz reflejada y la luz dispersada. Por ejemplo, la luz reflejada y la luz dispersada se enfocan sobre un sensor de imagen 130 mediante una óptica de imagen tal como un lente 128. El sensor de imagen (cámara) puede ser, por ejemplo, un sensor de imagen CMOS o un sensor de imagen EMCCD; puede tener una velocidad de cuadros suficiente para capturar y rastrear el movimiento de una partícula fotografiada. The illumination is reflected from a reflective interface 122, for example, between the bottom surface 116a of the chamber/channel 116 and the solution 118. The illumination is also scattered by the particle(s) 120. Both the reflected light and the scattered light are captured by the objective lens 112, returned along the illumination optical path, and directed to a separate path 124 by a beam splitter 126. Images of the reflected light and the scattered light are then obtained. For example, the reflected light and the scattered light are focused onto an image sensor 130 by imaging optics such as a lens 128. The image sensor (camera) may be, for example, a CMOS image sensor or an EMCCD image sensor; it may have a frame rate sufficient to capture and track the motion of an imaged particle.

La Figura 2a muestra detalles de una técnica de iluminación de incidencia normal para el microscopio óptico iSCAT de la Figura 1. El haz 104 de luz coherente puede estar no polarizado; es decir, puede comprender luz de dos polarizaciones lineales ortogonales 202a,b o, más generalmente, puede tener polarización elíptica. En el ejemplo particular ilustrado, la solución fluye a lo largo del canal 116, que tiene una altura (dirección z) de aproximadamente 450 nm y una anchura de aproximadamente 5 pm. Figure 2a shows details of a normal incidence illumination technique for the iSCAT optical microscope of Figure 1. The coherent light beam 104 may be unpolarized; that is, it may comprise light of two orthogonal linear polarizations 202a,b or, more generally, it may be elliptically polarized. In the particular example illustrated, the solution flows along channel 116, which has a height (z direction) of about 450 nm and a width of about 5 pm.

La Figura 2b muestra detalles de una técnica de iluminación de ángulo oblicuo para el microscopio óptico iSCAT de la Figura 1. Un eje óptico del lente objetivo 112 se encuentra a lo largo de la dirección de la línea 200, que representa la luz reflejada y la luz dispersada capturadas por el objetivo. El haz 104 de luz coherente que ilumina la región de detección 114 está fuera de eje, es decir, está desplazado lejos del eje óptico 200; un eje del haz 104 puede ser paralelo al eje óptico 200. Así, el haz 104 define un ángulo 0i con respecto al eje óptico 200 en el punto de salida del objetivo, que forma un ángulo oblicuo con respecto a la interfaz reflectante 122. (La dirección de este haz se modifica posteriormente por refracción, pero la iluminación permanece, no obstante, en un ángulo oblicuo con respecto a la interfaz 122). Figure 2b shows details of an oblique angle illumination technique for the iSCAT optical microscope of Figure 1. An optical axis of the objective lens 112 lies along the direction of line 200, which represents the reflected light and scattered light captured by the objective. The coherent light beam 104 illuminating the detection region 114 is off-axis, i.e., shifted away from the optical axis 200; one axis of the beam 104 may be parallel to the optical axis 200. Thus, the beam 104 defines an angle 0i with respect to the optical axis 200 at the exit point of the objective, which forms an oblique angle with respect to the reflective interface 122. (The direction of this beam is subsequently modified by refraction, but the illumination nevertheless remains at an oblique angle with respect to the interface 122.)

Mediante la(s) partícula(s) fotografiada(s) que iluminan en un ángulo oblicuo, aumenta el nivel de señal, es decir, la interferencia entre la luz dispersada y reflejada, en comparación con el nivel de fondo de la luz reflejada. La proporción de estos componentes se puede ajustar ajustando el ángulo oblicuo, si el ángulo 0i es demasiado grande, se reduce la intensidad de la luz dispersada a lo largo de la dirección; si es demasiado pequeña, la luz reflejada reduce la relación señal a ruido. El ángulo óptimo se puede encontrar mediante experimento; En general, puede depender del ruido de fondo de la cámara. By illuminating the imaged particle(s) at an oblique angle, the signal level, i.e. the interference between scattered and reflected light, increases compared to the background level of reflected light. The proportion of these components can be adjusted by adjusting the oblique angle, if the angle 0i is too large, the intensity of scattered light along the direction is reduced; if it is too small, the reflected light reduces the signal to noise ratio. The optimal angle can be found by experiment; in general, it may depend on the background noise of the camera.

En algunas implementaciones, la iluminación oblicua puede estar parcial o completamente polarizada linealmente, en particular polarizada p 204, para reducir el nivel de luz reflejada desde la interfaz 122. En el ángulo de Brewster, el nivel de luz reflejada desde la interfaz 122 se reduce sustancialmente a cero (en realidad se reduce mucho pero no a cero porque el láser no está perfectamente colimado). En la práctica, el ángulo oblicuo puede alejarse ligeramente del ángulo de Brewster para proporcionar algo de luz reflejada para generar la interferencia. Controlar la polarización de la iluminación es ventajoso ya que permite desacoplar en cierta medida la reducción de la intensidad de la luz reflejada de la reducción de la intensidad de la luz dispersa capturada a lo largo de la dirección 200. In some implementations, the oblique illumination may be partially or completely linearly polarized, in particular p-polarized, to reduce the level of reflected light from interface 122. At the Brewster angle, the level of reflected light from interface 122 is substantially reduced to zero (actually greatly reduced but not to zero because the laser is not perfectly collimated). In practice, the oblique angle may be slightly offset from the Brewster angle to provide some reflected light to generate the interference. Controlling the polarization of the illumination is advantageous as it allows the reduction in intensity of the reflected light to be somewhat decoupled from the reduction in intensity of the scattered light captured along direction 200.

La Figura 2c muestra un ejemplo de implementación de la técnica de iluminación de ángulo oblicuo de la Figura 2b en el contexto del microscopio de la Figura 1. Figure 2c shows an example implementation of the oblique angle illumination technique of Figure 2b in the context of the microscope of Figure 1.

Así, la Figura 2c muestra un diagrama esquemático de un microscopio óptico iSCAT 200 que incluye un láser 202 para generar un haz 204 de luz coherente. El haz 204 se enfoca, por ejemplo, mediante un lente 206, por ejemplo, sobre un plano focal posterior del lente objetivo 112. Un reflector, espejo diagonal 210, dirige el haz 204 de luz coherente fuera del eje hacia el lente objetivo 112, es decir, el haz 204 se desplaza lejos de un eje óptico del lente objetivo 112, dirección 200 en la Figura 2b. El haz fuera de eje 204 es transformado por el lente objetivo 112 en un haz colimado 204a que ilumina la interfaz reflectante 122 en un ángulo oblicuo. Thus, Figure 2c shows a schematic diagram of an iSCAT 200 optical microscope that includes a laser 202 for generating a coherent light beam 204. The beam 204 is focused, for example, by a lens 206, e.g., onto a back focal plane of the objective lens 112. A reflector, diagonal mirror 210, directs the coherent light beam 204 off-axis toward the objective lens 112, i.e., the beam 204 is displaced away from an optical axis of the objective lens 112, direction 200 in Figure 2b. The off-axis beam 204 is transformed by the objective lens 112 into a collimated beam 204a that illuminates the reflective interface 122 at an oblique angle.

Las Figuras 3a y 3b ilustran, respectivamente, imágenes capturadas usando las técnicas de iluminación de incidencia normal y oblicua de la Figura 2. Puede verse que la Figura 3b, capturada usando iluminación oblicua, muestra un contraste de interferencia mucho mayor que la Figura 3a y, en consecuencia, mucho más detalle de la imagen. En la práctica, para detectar una partícula como una sola molécula, se utiliza una detección diferencial, por ejemplo, se puede emplear la técnica de sustracción de fondo. Figures 3a and 3b illustrate, respectively, images captured using the normal and oblique incidence illumination techniques of Figure 2. It can be seen that Figure 3b, captured using oblique illumination, shows a much higher interference contrast than Figure 3a and, consequently, much more image detail. In practice, to detect a particle as a single molecule, differential detection is used, for example, the background subtraction technique can be employed.

Como se describe con más detalle más adelante, una imagen de interferencia capturada de una partícula puede denominarse holograma ya que lo que se captura es un patrón de interferencia. Sin embargo, el holograma suele tener una región central brillante (u oscura) (de acuerdo con la fase), que da la apariencia de una partícula. As described in more detail below, a captured interference image of a particle can be called a hologram since what is captured is an interference pattern. However, the hologram usually has a bright (or dark) central region (depending on the phase), which gives the appearance of a particle.

En implementaciones, el contraste de interferencia puede referirse, por ejemplo, a una relación de intensidades de luz entre regiones brillantes y oscuras de un patrón de interferencia (del microscopio iSCAT), o a una relación de valores de brillo de imagen entre regiones brillantes y oscuras de una imagen de interferencia (del microscopio iSCAT). In implementations, interference contrast may refer to, for example, a ratio of light intensities between bright and dark regions of an interference pattern (from the iSCAT microscope), or a ratio of image brightness values between bright and dark regions of an interference image (from the iSCAT microscope).

A continuación, se describen más detalles de algunas implementaciones de ejemplo. More details of some example implementations are described below.

Implementaciones de ejemplo Example implementations

En implementaciones de dispersión interferométrica (iSCAT), una onda receptora de alta intensidad interfirió con una señal dispersa, lo que permite que el sistema funcione en un régimen limitado por ruido de disparo. La dependencia de la señal del diámetro de la partícula se expresa en tercera potencia; Se puede utilizar una etiqueta de dispersión, normalmente una nanopartícula de oro, para aumentar la sección transversal de dispersión. iSCAT se puede utilizar para detectar partículas en solución, por ejemplo, en agua, lo que permite estimar su coeficiente de difusión. Sin embargo, en esta aplicación el tiempo de integración es limitado ya que la partícula no debe difundirse más allá del ancho de la función de dispersión del punto, aunque los ángulos de incidencia subcríticos pueden disminuir la dispersión de fondo y mejorar la relación señal a ruido. In interferometric scattering (iSCAT) implementations, a high-intensity receiver wave interfered with a scattered signal, allowing the system to operate in a shot noise-limited regime. The dependence of the signal on the particle diameter is expressed in the third power; a scattering tag, typically a gold nanoparticle, can be used to increase the scattering cross section. iSCAT can be used to detect particles in solution, for example in water, allowing their diffusion coefficient to be estimated. However, in this application the integration time is limited as the particle must not diffuse beyond the width of the point spread function, although subcritical incidence angles can decrease background scattering and improve the signal-to-noise ratio.

La dispersión interferométrica (iSCAT) funciona recogiendo tanto la luz dispersada como la luz reflejada en el detector. Como ambos tienen la misma longitud de onda, interferirán. La intensidad recogida (Pcol) es el resultado del campo eléctrico reflejado (Er) y del campo eléctrico disperso (Es): Interferometric scattering (iSCAT) works by collecting both scattered light and reflected light at the detector. Since they both have the same wavelength, they will interfere. The collected intensity (Pcol) is the result of the reflected electric field (Er) and the scattered electric field (Es):

donde la potencia incidente es Pinc y la potencia reflejada es Pref = Pinc |r|2 con r el coeficiente de reflexión del campo eléctrico. La potencia de interferencia es P¡nt = Pinc2|r| |s| cos O donde s es el coeficiente de dispersión y O es la diferencia de fase. El coeficiente de reflexión (r) viene dado por las ecuaciones de Fresnel (ver más adelante) y la sección transversal de dispersión a= |s|2 está dada por la Dispersión de Rayleigh (ver más adelante). Generalmente |s| « |r|, por lo que el término |s|2 final es insignificante. El término reflejado Pref se puede eliminar si cambia más lentamente que el término que interfiere P¡nt. Este es el caso de una muestra en difusión o de eventos de unión, por ejemplo. El contraste depende de la reflectividad: where the incident power is Pinc and the reflected power is Pref = Pinc |r|2 with r the reflection coefficient of the electric field. The interference power is P¡nt = Pinc2|r| |s| cos O where s is the scattering coefficient and O is the phase difference. The reflection coefficient (r) is given by the Fresnel equations (see below) and the scattering cross section a= |s|2 is given by Rayleigh Scattering (see below). Usually |s| « |r|, so the final |s|2 term is negligible. The reflected term Pref can be eliminated if it changes more slowly than the interfering term P¡nt. This is the case for a diffusing sample or for junction events, for example. The contrast depends on the reflectivity:

pero, sorprendentemente, la relación señal a ruido no lo es: suponiendo que el sistema esté limitado por el ruidoPruidoKjPcot ~7pref■ El ruido viene dado por la relación señal a ruido (SNR) es: But surprisingly, the signal-to-noise ratio is not: assuming the system is noise-limitedPruidoKjPcot ~7pref■ The noise is given by the signal-to-noise ratio (SNR) is:

que es independiente de la intensidad reflejada. El coeficiente de dispersión se puede mejorar disminuyendo la longitud de onda del láser; de lo contrario, parece que la única forma de mejorar la relación señal a ruido es aumentar la potencia del láser o utilizar tiempos de integración más largos, aunque los tiempos de integración más largos están limitados por la deriva. which is independent of the reflected intensity. The dispersion coefficient can be improved by decreasing the laser wavelength; otherwise, it seems that the only way to improve the signal-to-noise ratio is to increase the laser power or use longer integration times, although longer integration times are limited by drift.

Iluminación oblicua Oblique lighting

La Figura 4 muestra, esquemáticamente, detalles de la geometría óptica de un ejemplo adicional de un microscopio iSCAT 400 como se describe en el presente documento. Figure 4 shows, schematically, details of the optical geometry of an additional example of an iSCAT 400 microscope as described herein.

Como anteriormente, un haz 204 de luz coherente, por ejemplo, desde un láser 202, se refleja en un espejo semitransparente o divisor de haz 410, en este ejemplo desplazado lejos del plano focal posterior 110 del lente objetivo 112. El haz 204 se enfoca en un plano focal posterior del lente objetivo 112, colimado por el lente objetivo 112 y, en este ejemplo, pasa a través de un aceite de índice de refracción adaptado 412 a la interfaz reflectante 122. El haz 204 está desplazado del eje óptico 200, y este sale del lente objetivo 112 como un haz colimado 204a en un ángulo oblicuo a la interfaz reflectante vidrio-agua 122. As before, a beam 204 of coherent light, for example, from a laser 202, is reflected by a semi-transparent mirror or beam splitter 410, in this example offset away from the back focal plane 110 of the objective lens 112. The beam 204 is focused at a back focal plane of the objective lens 112, collimated by the objective lens 112, and, in this example, passes through a refractive index matched oil 412 to the reflective interface 122. The beam 204 is offset from the optical axis 200, and exits the objective lens 112 as a collimated beam 204a at an oblique angle to the glass-water reflective interface 122.

En este ejemplo, la interfaz reflectante 122 comprende una interfaz vidrio-agua formada por la interfaz entre una pared de vidrio 414 de una cámara o canal y una solución acuosa en la región 416. A medida que el haz 204 atraviesa esta trayectoria, pequeñas cantidades de luz se reflejan en otras interfaces en la trayectoria, tales como interfaces en el lente objetivo 112; el aceite con índice coincidente 412, coincidía, por ejemplo, con un índice de refracción del elemento final del objetivo, reduce el número de interfaces que la luz iluminadora ve en la trayectoria. La intensidad de los reflejos del aceite de vidrio es casi nula porque el aceite tiene un índice coincidente. In this example, the reflective interface 122 comprises a glass-water interface formed by the interface between a glass wall 414 of a chamber or channel and an aqueous solution in region 416. As the beam 204 traverses this path, small amounts of light are reflected off other interfaces in the path, such as interfaces in the objective lens 112; the index-matched oil 412, matched, for example, to a refractive index of the objective end element, reduces the number of interfaces that the illuminating light sees in the path. The intensity of the reflections from the glass oil is nearly zero because the oil is index-matched.

En la interfaz vidrio-agua 122 la luz iluminadora se separa en componentes transmitidos y reflejados. La iluminación transmitida alcanza una o más partículas 120 en la solución acuosa que dispersan la iluminación. La luz dispersada se dispersa en muchas direcciones, por ejemplo, aproximadamente sobre una esfera (aunque esto depende de factores como la forma y configuración de la partícula dispersante y la polarización de la luz). Parte de la luz dispersada es recogida por el lente objetivo 112 y proporciona un haz de luz dispersada 430 que en implementaciones se extiende a lo ancho de la superficie trasera del objetivo y viaja en la dirección 200 a lo largo del eje óptico. At the glass-water interface 122 the illuminating light is separated into transmitted and reflected components. The transmitted illumination reaches one or more particles 120 in the aqueous solution that scatter the illumination. The scattered light is scattered in many directions, for example, approximately about a sphere (although this depends on factors such as the shape and configuration of the scattering particle and the polarization of the light). Some of the scattered light is collected by the objective lens 112 and provides a scattered light beam 430 that in implementations extends across the back surface of the objective and travels in the direction 200 along the optical axis.

La luz reflejada regresa a lo largo de la trayectoria 418, en un ángulo de reflexión que coincide con el ángulo de incidencia, al lente objetivo 112. El lente objetivo 112 que enfoca la luz reflejada en el plano focal posterior 110 en una región desplazada lejos del eje óptico 200, en el lado opuesto del eje al haz de iluminación 204. Esta luz reflejada interfiere con la luz dispersada en el detector, por ejemplo, cámara 130, generando franjas de interferencia. The reflected light returns along path 418, at an angle of reflection coinciding with the angle of incidence, to objective lens 112. Objective lens 112 focuses the reflected light at back focal plane 110 into a region offset away from optical axis 200, on the opposite side of the axis to the illumination beam 204. This reflected light interferes with scattered light at detector, e.g., camera 130, generating interference fringes.

En algunas implementaciones, se puede ubicar un filtro espacial 422 en o cerca del plano focal posterior 110 del lente objetivo 112 para mejorar aún más el contraste. Por ejemplo, el 422 espacial puede comprender un disco ubicado en el foco del haz reflejado, con una extensión correspondiente a una extensión del punto focal del haz reflejado o mayor. El filtro espacial puede comprender una máscara atenuadora de luz 422 sobre un soporte de máscara sustancialmente transparente 420, por ejemplo, un soporte de máscara que tiene forma de medio disco (en el lado del eje óptico que incluye el haz reflejado). Más adelante se describe un método para determinar un grado de transmisividad de la máscara atenuadora de luz 422. In some implementations, a spatial filter 422 may be located at or near the back focal plane 110 of the objective lens 112 to further enhance contrast. For example, the spatial filter 422 may comprise a disk located at the focus of the reflected beam, with an extent corresponding to an extent of the focal point of the reflected beam or greater. The spatial filter may comprise a light attenuating mask 422 on a substantially transparent mask holder 420, e.g., a mask holder having the shape of a half disk (on the side of the optical axis that includes the reflected beam). A method for determining a degree of transmissivity of the light attenuating mask 422 is described below.

Reflexiones espurias e interferenciales Spurious and Interferential Reflections

El análisis anterior supone que la reflexión interfiere con la intensidad de dispersión. Esto sólo es cierto si la diferencia de trayectoria es menor que la longitud de coherencia del láser (ver más adelante), normalmente cientos de micrómetros (para diodos láser). Sin embargo, la iluminación láser se refleja desde la parte posterior del objetivo y en cada interfaz que cruza. Incluso los objetivos con revestimientos antirreflectantes no tienen una transmitancia del 100 %, en cuyo caso la intensidad recopilada se puede reescribir con la intensidad reflejada separada en componentes de reflexión que interfieren y espurios: The above analysis assumes that reflection interferes with the scattered intensity. This is only true if the path difference is smaller than the laser coherence length (see below), typically hundreds of micrometers (for laser diodes). However, laser illumination is reflected from the back of the target and at every interface it crosses. Even targets with anti-reflection coatings do not have 100% transmittance, in which case the collected intensity can be rewritten with the reflected intensity separated into interfering and spurious reflection components:

donde el campo eléctrico de reflexión espuria Ers no interfiere con la señal dispersada o la señal reflejada desde la interfaz; el campo eléctrico de reflexión que interfiere es E„. Por lo tanto, la relación señal a ruido (SNR) anterior se reduce si |rs|2 >> |n|2: where the spurious reflection electric field Ers does not interfere with the scattered signal or the reflected signal from the interface; the interfering reflection electric field is E„. Therefore, the above signal-to-noise ratio (SNR) is reduced if |rs|2 >> |n|2:

En los casos considerados aquí sólo la reflexión en la interfaz reflectante 122, por ejemplo, una interfaz vidrio-agua, será un reflejo de interferencia. Por lo tanto, se puede utilizar la ley de Fresnel (ver más adelante) para distinguir los dos tipos de reflexión. In the cases considered here only the reflection at the reflecting interface 122, for example a glass-water interface, will be an interference reflection. Therefore, Fresnel's law (see below) can be used to distinguish the two types of reflection.

La Figura 5 muestra un gráfico de contraste e intensidad de la señal iSCAT vista por la cámara frente al ángulo de incidencia. La intensidad medida (puntos) comprende la intensidad reflejada, equipada con una línea y un componente debido a reflexiones espurias cerca de la normal (0 grados), donde los puntos divergen de la línea. En ángulos mayores que aquel en el que se encuentran los puntos (en este ejemplo, alrededor de 10 grados), la línea el efecto de las reflexiones espurias esencialmente llega a cero (observando la escala logarítmica). Se analizan dos regiones de la imagen, una región con un fuerte dispersor (control positivo, cruces superiores) y una región sin dispersores aparentes (control negativo, cruces inferiores). Sin reflexiones espurias, la distancia en el espacio logarítmico entre la dispersión y el fondo debe ser constante y el valor debe depender de la intensidad reflejada (la señal, y por lo tanto también la relación señal a ruido, se relaciona con la diferencia entre los cruces superiores e inferiores). Por debajo de unos 10 grados, este no es el caso y la relación señal a ruido llega a cero en ángulos pequeños (es decir, los cruces superior e inferior convergen). Figure 5 shows a graph of the iSCAT signal contrast and intensity as seen by the camera versus the angle of incidence. The measured intensity (dots) comprises the reflected intensity, fitted with a line, and a component due to spurious reflections near the normal (0 degrees), where the dots diverge from the line. At angles greater than that at which the dots are located (in this example, around 10 degrees), the effect of spurious reflections essentially goes to zero (looking at the logarithmic scale). Two regions of the image are analysed, a region with a strong scatterer (positive control, upper crosses) and a region with no apparent scatterers (negative control, lower crosses). Without spurious reflections, the distance in logarithmic space between the scatter and the background should be constant and the value should depend on the reflected intensity (the signal, and therefore also the signal-to-noise ratio, is related to the difference between the upper and lower crosses). Below about 10 degrees, this is not the case and the signal-to-noise ratio goes to zero at small angles (i.e. the upper and lower crossings converge).

Por lo tanto, la línea representa la intensidad ajustada utilizando las ecuaciones de Fresnel. Los puntos, que son las intensidades medidas, siguen esta línea para ángulos elevados, pero se desvían del ajuste en incidencias normales debido a reflexiones espurias. El efecto se puede ver en el contraste de una región con partículas fuertemente dispersadas y una región de fondo: tanto el ruido como la intensidad dispersada son proporcionales a |r| y ambos contrastes siguen la forma de la línea, pero no en incidencia normal donde el contraste es enmascarado por el reflejo espurio. The line therefore represents the intensity fitted using the Fresnel equations. The points, which are the measured intensities, follow this line for high angles, but deviate from the fit at normal incidence due to spurious reflections. The effect can be seen in the contrast of a region with strongly scattered particles and a background region: both the noise and the scattered intensity are proportional to |r| and both contrasts follow the shape of the line, but not at normal incidence where the contrast is masked by the spurious reflection.

Deformación de la imagen Image deformation

La imagen se forma por la interferencia entre la luz dispersada y el reflejo interfiriente. La forma del patrón de interferencia se puede calcular a partir de la longitud de onda y el ángulo del láser (ver más adelante). The image is formed by interference between scattered light and interfering reflection. The shape of the interference pattern can be calculated from the wavelength and angle of the laser (see below).

La Figura 6 muestra ejemplos de imágenes de interferencia de una partícula fuertemente dispersada (fila superior) y los correspondientes patrones de interferencia predichos, es decir, hologramas (fila inferior) para diferentes ángulos de incidencia del haz de iluminación. En incidencia normal, la fuerte reflexión espuria oculta la señal, pero en ángulos de incidencia más altos, la reflexión espuria no está presente pero la imagen se distorsiona progresivamente a medida que el patrón circular se vuelve más elíptico. Para minimizar la distorsión, se puede elegir que el ángulo de incidencia esté en el ángulo donde se manifiesta la reflexión espuria o justo por encima de él. Esto puede definirse como un ángulo en el que, en el dispositivo de formación de imágenes, la intensidad de la luz reflejada es mayor que la intensidad de la luz reflejada desde una superficie posterior del lente objetivo. Para minimizar la distorsión, el ángulo no puede ser mayor que este ángulo más, por ejemplo, 10 grados. Figure 6 shows examples of interference images of a strongly scattered particle (top row) and the corresponding predicted interference patterns, i.e. holograms (bottom row) for different incidence angles of the illumination beam. At normal incidence, the strong spurious reflection hides the signal, but at higher incidence angles, the spurious reflection is not present but the image is progressively distorted as the circular pattern becomes more elliptical. To minimize distortion, the incidence angle can be chosen to be at or just above the angle where the spurious reflection manifests itself. This can be defined as an angle at which, at the imaging device, the intensity of the reflected light is greater than the intensity of the light reflected from a back surface of the objective lens. To minimize distortion, the angle cannot be greater than this angle plus, for example, 10 degrees.

Mayor contraste Greater contrast

Disminuir la intensidad reflejada aumentará el contraste, C, como se muestra en la ecuación anterior para C. Sorprendentemente, no cambia la relación señal a ruido, SNR, como se muestra en la ecuación anterior para SNR. Mejorar el contraste es útil ya que disminuye la presión sobre el rango dinámico de la cámara y puede ayudar al usuario a vislumbrar la señal dispersa mientras mira un vídeo sin procesar, por ejemplo, mientras enfoca. Cuando se utiliza iluminación oblicua, se pueden emplear dos técnicas para lograrlo. En primer lugar, se puede utilizar el ángulo de incidencia de Brewster para disminuir la intensidad reflejada, aunque esto normalmente requiere una polarización y un ángulo fijos. Además, o en su lugar, se puede ubicar un filtro espacial en el plano focal posterior, como se muestra en la Figura 4. Esto no es posible con incidencia normal ya que tanto el láser incidente como el reflejado pasan por el mismo punto, pero con incidencia oblicua solo es posible filtrar la intensidad reflejada ya que la luz incidente y reflejada están separadas espacialmente. Decreasing the reflected intensity will increase the contrast, C, as shown in the above equation for C. Surprisingly, it does not change the signal to noise ratio, SNR, as shown in the above equation for SNR. Improving contrast is useful as it decreases the strain on the camera's dynamic range and can help the user glimpse the scattered signal while watching raw video, for example while focusing. When using oblique illumination, two techniques can be employed to achieve this. First, Brewster's angle of incidence can be used to decrease the reflected intensity, although this typically requires a fixed polarization and angle. Additionally, or instead, a spatial filter can be placed in the back focal plane, as shown in Figure 4. This is not possible at normal incidence as both the incident and reflected lasers pass through the same point, but at oblique incidence it is only possible to filter out the reflected intensity as the incident and reflected light are spatially separated.

Plano de Fourier Fourier plane

Un lente objetivo crea una transformada de Fourier del plano focal en el plano focal posterior. El plano de Fourier se puede recrear a partir de la imagen tomando una transformada de Fourier de la imagen de interferencia, es decir, un holograma, por ejemplo, una transformada rápida de Fourier (FFT) como se describe más adelante. An objective lens creates a Fourier transform of the focal plane into the back focal plane. The Fourier plane can be recreated from the image by taking a Fourier transform of the interference image, i.e. a hologram, e.g. a fast Fourier transform (FFT) as described below.

La Figura 7 muestra transformadas rápidas de Fourier de imágenes de interferencia (hologramas) capturadas en diferentes ángulos de incidencia en un microscopio iSCAT. Las imágenes son de una partícula de 100 nm (imágenes izquierda y central) y una partícula de 40 nm (imágenes a la derecha). Como la información de fase se pierde cuando la luz llega a la cámara, el plano de Fourier reconstruido muestra un patrón simétrico. La distancia entre los centros de los círculos en las imágenes del medio y de la derecha es proporcional a la traslación del láser de iluminación desde el eje óptico (más tarde, AX). Figure 7 shows fast Fourier transforms of interference images (holograms) captured at different incidence angles on an iSCAT microscope. The images are of a 100 nm particle (left and middle images) and a 40 nm particle (right images). Since phase information is lost when the light reaches the camera, the reconstructed Fourier plane shows a symmetrical pattern. The distance between the centers of the circles in the middle and right images is proportional to the translation of the illuminating laser from the optical axis (later AX).

En la Figura 7, el círculo discontinuo indica el límite de difracción de Abbe (impuesto por la apertura numérica). La línea continua indica el círculo de dispersión esperado, calculado como se describe más adelante, denominado aquí círculo de Fourier. La cruz indica la posición del láser reflejado. El tamaño del punto láser reflejado (que se ve más fácilmente en la imagen inferior derecha) se puede reducir enfocando con precisión el lente 128 de modo que la longitud focal coincida con la distancia desde el lente hasta el plano focal posterior del objetivo; luego puede filtrarse de la transformada de Fourier. In Figure 7, the dashed circle indicates the Abbe diffraction limit (imposed by the numerical aperture). The solid line indicates the expected dispersion circle, calculated as described below, here referred to as the Fourier circle. The cross indicates the position of the reflected laser. The size of the reflected laser spot (most easily seen in the lower right image) can be reduced by finely focusing the 128 lens so that the focal length matches the distance from the lens to the back focal plane of the objective; it can then be filtered out of the Fourier transform.

En incidencia normal (imágenes de la izquierda), el láser reflejado domina tanto las imágenes de fotograma único como las de partículas diferentes, mientras que apenas es visible en ángulos más altos: al aumentar el ángulo de incidencia (imágenes del medio y de la derecha), esencialmente solo se ve la reflexión que interfiere. En el ejemplo particular que se muestra, la señal de dispersión de la partícula de 100 nm es más fuerte que el ruido de la cámara, mientras que la de la partícula de 40 nm está oculta en el ruido. At normal incidence (left images), the reflected laser dominates both the single-frame and dissimilar particle images, while it is barely visible at higher angles: with increasing incidence angle (middle and right images), essentially only the interfering reflection is visible. In the particular example shown, the scattering signal from the 100 nm particle is stronger than the camera noise, while that from the 40 nm particle is buried in the noise.

Como la señal dispersada está contenida en el círculo de Fourier, el resto de la imagen (fuera del círculo de dispersión esperado) se puede filtrar, reduciendo en gran medida el ruido del disparo. La mancha residual del reflejo del láser se puede reducir si se utiliza un filtro espacial como se describió anteriormente. Since the scattered signal is contained within the Fourier circle, the rest of the image (outside the expected scattering circle) can be filtered out, greatly reducing the shot noise. The residual smear from the laser reflection can be reduced if a spatial filter is used as described above.

En la Figura 7, la fila superior muestra la FFT de un solo cuadro y la fila inferior muestra la FFT de una diferencia entre dos, por ejemplo, fotogramas consecutivos (un fotograma diferencial); en este ejemplo, la velocidad de fotogramas se ajusta a 125 FPS sumando fotogramas consecutivos. Por lo tanto, la fila inferior muestra solo elementos dinámicos de las imágenes capturadas, por ejemplo. Algunas partes capturan imágenes de interferencia relacionadas con partículas en movimiento. In Figure 7, the top row shows the FFT of a single frame and the bottom row shows the FFT of a difference between two, for example, consecutive frames (a difference frame); in this example, the frame rate is set to 125 FPS by summing consecutive frames. Therefore, the bottom row shows only dynamic elements of the captured images, e.g. some parts capture interference images related to moving particles.

La señal dentro del círculo de Fourier, por ejemplo, la amplitud o intensidad integrada sobre el área del círculo de Fourier, en la FFT de un fotograma diferencial, se puede utilizar como una medida (unidimensional) de la cantidad de dispersión en un fotograma. Esto puede usarse como medida de la concentración y/o tamaño de las partículas en una muestra de la solución que contiene las partículas; la medida puede calibrarse para determinar un valor para la concentración y/o el tamaño de las partículas. The signal inside the Fourier circle, for example the amplitude or intensity integrated over the area of the Fourier circle, in the FFT of a differential frame, can be used as a (one-dimensional) measure of the amount of scattering in a frame. This can be used as a measure of the concentration and/or size of the particles in a sample of the solution containing the particles; the measurement can be calibrated to determine a value for the concentration and/or size of the particles.

Ejemplo de configuración del aparato Example of device configuration

Haciendo referencia nuevamente a la Figura 4, en una implementación de ejemplo, un láser se refleja en un espejo semitransparente y se enfoca en el plano focal posterior de un objetivo. El láser o un elemento óptico para guiar el láser se puede montar en una fase para permitir una traslación del punto focal del láser en el plano focal posterior mientras se mantiene el láser paralelo al eje óptico del objetivo. Se puede utilizar un objetivo de inmersión en aceite para evitar la creación de interfaces entre el objetivo y el vidrio (por ejemplo, cubreobjetos). Un lente 128, por ejemplo, un lente de tubo enfoca la imagen en una cámara 130. Referring again to Figure 4, in an exemplary implementation, a laser is reflected off a semi-transparent mirror and focused onto the back focal plane of a target. The laser or an optical element for guiding the laser may be mounted on a stage to allow a translation of the laser focal spot into the back focal plane while keeping the laser parallel to the optical axis of the target. An oil immersion target may be used to avoid creating interfaces between the target and glass (e.g., coverslip). A lens 128, e.g., a tube lens, focuses the image onto a camera 130.

El láser puede enfocarse en el plano focal posterior, de modo que salga del objetivo como un haz colimado. La ubicación del plano focal posterior se puede encontrar minimizando el tamaño de un punto en una pantalla distante (por ejemplo, una pared o un techo) mientras se cambia la posición del punto focal. La intensidad reflejada también se enfocará entonces en el plano focal posterior, y se puede encontrar una posición óptima del lente del tubo tomando imágenes del plano focal posterior y minimizando el punto reflejado. Esto se puede hacer usando otro lente de tubo con la mitad del lente focal para obtener imágenes del plano de Fourier directamente o aplicando una transformada rápida de Fourier a la imagen grabada. The laser can be focused onto the back focal plane, so that it exits the target as a collimated beam. The location of the back focal plane can be found by minimizing the size of a spot on a distant screen (e.g. a wall or ceiling) while changing the position of the focal spot. The reflected intensity will then also be focused onto the back focal plane, and an optimal tube lens position can be found by imaging the back focal plane and minimizing the reflected spot. This can be done by using another tube lens with half the focal length to image the Fourier plane directly or by applying a fast Fourier transform to the recorded image.

El láser debe estar paralelo al eje óptico del objetivo. Se puede aplicar un desplazamiento entre el eje óptico y el eje del láser para cambiar el ángulo de incidencia de la iluminación. Se puede dibujar un gráfico del tipo mostrado en la Figura 5, por ejemplo, registrando la intensidad de la señal reflejada y ajustándola a la ecuación de Fresnel. De este modo se puede identificar el rango de ángulos en los que es visible una reflexión espuria y seleccionar en consecuencia un ángulo de iluminación oblicuo para el microscopio iSCAT, es decir, un ángulo de incidencia para el haz de iluminación. The laser must be parallel to the optical axis of the objective. An offset between the optical axis and the laser axis can be applied to change the angle of incidence of the illumination. A graph of the type shown in Figure 5 can be drawn, for example, by recording the intensity of the reflected signal and fitting it to the Fresnel equation. In this way, the range of angles at which a spurious reflection is visible can be identified and an oblique illumination angle for the iSCAT microscope, i.e. an angle of incidence for the illumination beam, can be selected accordingly.

En algunas implementaciones, el ángulo de incidencia (90 grados respecto al ángulo oblicuo de iluminación de la interfaz reflectante) puede ser suficientemente grande para eliminar sustancialmente la reflexión espuria pero no significativamente mayor que esto para reducir la distorsión de la imagen de interferencia - por ejemplo, en el rango 1 30, 3-20 o 5-15 grados, por ejemplo, alrededor de 10 grados en el ejemplo de la Figura 5. In some implementations, the angle of incidence (90 degrees relative to the oblique angle of illumination of the reflective interface) may be large enough to substantially eliminate spurious reflection but not significantly larger than this to reduce interference image distortion - for example, in the range 1-30, 3-20 or 5-15 degrees, e.g., about 10 degrees in the example in Figure 5.

Se puede extraer una parte dinámica de la imagen tomando una diferencia entre dos fotogramas de imagen de interferencia o entre dos conjuntos de fotogramas, por ejemplo, grupos de fotogramas promediados. Como se describió anteriormente, el círculo de Fourier se puede utilizar para eliminar una gran parte del ruido del disparo de la cámara que se encuentra fuera del círculo (en el ejemplo de la Figura 7, la región dentro de la línea continua se retiene junto con su contraparte simétrica). El ruido creado por la reflexión del láser se puede eliminar ya que está bien localizado en el plano de Fourier. Tenga en cuenta que, si el lente del tubo no se coloca correctamente de modo que la distancia desde el objetivo al lente del tubo sea igual a la distancia focal del lente del tubo, la ubicación del ruido del reflejo quedará borrosa en el plano de Fourier. A dynamic part of the image can be extracted by taking a difference between two interference image frames or between two sets of frames, e.g. groups of averaged frames. As described above, the Fourier circle can be used to remove a large part of the camera shot noise that lies outside the circle (in the example in Figure 7, the region inside the solid line is retained along with its symmetric counterpart). The noise created by the laser reflection can be removed since it is well localized in the Fourier plane. Note that if the tube lens is not positioned correctly so that the distance from the objective to the tube lens is equal to the focal length of the tube lens, the location of the reflection noise will be blurred in the Fourier plane.

La máscara espacial, si se utiliza, idealmente debería ubicarse en el plano focal posterior. El láser reflejado debe pasar a través de una región de baja transmitancia mientras que el resto del plano focal posterior debe ser lo más transparente posible. The spatial mask, if used, should ideally be located in the back focal plane. The reflected laser should pass through a low transmittance region while the rest of the back focal plane should be as transparent as possible.

En términos generales, el objetivo es tener, al mismo tiempo, una gran relación señal a ruido (SNR) y un gran contraste del patrón de interferencia. Para aumentar el contraste se debe reducir la intensidad reflejada tanto como sea posible. En principio, esto no afecta la SNR si el ruido se limita al ruido. Sin embargo, a medida que se reduce la intensidad, eventualmente dominan otras fuentes de ruido y la SNR comienza a disminuir. Por lo tanto, la transmitancia de la máscara debe reducirse hasta que comience a hacerse evidente otro ruido de fondo, por ejemplo, hasta que el ruido del disparo esté al mismo nivel o justo por encima del ruido de fondo, por ejemplo, no más de 2x o 10x el ruido de fondo. El ruido de fondo proviene de muchas fuentes, por ejemplo, iluminación parásita, ruido eléctrico en el detector (cámara), etc. In general terms, the goal is to have, at the same time, a high signal-to-noise ratio (SNR) and a high contrast of the interference pattern. To increase the contrast, the reflected intensity should be reduced as much as possible. In principle, this does not affect the SNR if the noise is limited to the noise. However, as the intensity is reduced, eventually other sources of noise dominate and the SNR begins to decrease. Therefore, the transmittance of the mask should be reduced until other background noise begins to become apparent, for example, until the shot noise is at the same level or just above the background noise, for example, no more than 2x or 10x the background noise. Background noise comes from many sources, for example, stray illumination, electrical noise in the detector (camera), etc.

En el patrón de interferencia, si la máscara fuera transparente, el ruido del disparo dominaría el componente de ruido de la señal de interferencia detectada (siempre que la fuente láser sea lo suficientemente brillante). El ruido del disparo escala como n, donde n es el número de fotones. A medida que la transmitancia de la máscara disminuye hay menos fotones, lo que implica un nivel reducido de ruido de disparo. Sin embargo, con muy pocos fotones se hacen evidentes las otras fuentes de ruido. Puede resultar ventajoso reducir la transmisividad de la máscara para bloquear la mayor cantidad posible de luz reflejada mientras se escucha el ruido del disparo sigue siendo dominante. En la práctica, esto puede ser una transmisividad del orden del 10 %, pero esta cifra depende significativamente de los detalles de implementación. Como técnica práctica, se puede disminuir la transmisividad de la máscara hasta que se observe el ruido de fondo, y luego disminuir ligeramente este valor. In the interference pattern, if the mask were transparent, the shot noise would dominate the noise component of the detected interference signal (provided the laser source is bright enough). Shot noise scales as n, where n is the number of photons. As the transmittance of the mask decreases there are fewer photons, implying a reduced level of shot noise. However, with very few photons the other sources of noise become apparent. It may be advantageous to reduce the transmissivity of the mask to block as much reflected light as possible while still allowing the shot noise to dominate. In practice this may be a transmissivity on the order of 10%, but this figure depends significantly on implementation details. As a practical technique, one can decrease the transmissivity of the mask until background noise is observed, and then decrease this value slightly.

Si no se puede acceder al plano focal posterior, la posición focal del enfoque láser se puede ajustar ligeramente de modo que el foco del haz reflejado se ubique en la máscara espacial. Alternativamente, el láser puede enfocarse en el plano focal posterior, pero el filtro se desplaza un poco de éste, teniendo así una región de filtrado ligeramente mayor que la que tendría de otro modo. If the back focal plane is not accessible, the focal position of the laser focus can be adjusted slightly so that the focus of the reflected beam is located on the spatial mask. Alternatively, the laser can be focused on the back focal plane, but the filter is shifted slightly away from it, thus having a slightly larger filter region than would otherwise exist.

Las técnicas descritas pueden mejorar iSCAT eliminando la reflexión espuria que limita la relación señal a ruido. El contraste también se puede mejorar de varias maneras, por ejemplo, utilizando el ángulo de Brewster y/o un filtro espacial en o cerca del plano focal posterior. The described techniques can improve iSCAT by removing spurious reflection that limits the signal-to-noise ratio. Contrast can also be improved in a number of ways, for example by using the Brewster angle and/or a spatial filter at or near the back focal plane.

Para ayudar a comprender las técnicas, es útil describir algunas de las teorías subyacentes. To help understand the techniques, it is helpful to describe some of the underlying theories.

Dispersión Dispersion

La dispersión de Rayleigh describe la dispersión de partículas pequeñas, normalmente mucho más pequeñas que la longitud de onda. La intensidad Is a una distancia X de una partícula con un ángulo de dispersión 0 es proporcional a la intensidad incidente Iq: Rayleigh scattering describes the scattering of small particles, typically much smaller than the wavelength. The intensity Is at a distance X from a particle with a scattering angle 0 is proportional to the incident intensity Iq:

donde nm es el índice de refracción del medio circundante, np es el índice de refracción de la partícula,<y>es la longitud de onda de la luz coherente y r es el radio de la partícula. La integración sobre los ángulos da la sección transversal de dispersión a. La asimetría se puede detectar mediante el uso de una disposición de polarización cruzada para detectar cambios en la polarización causados por la asimetría de la forma de la partícula; esta señal es mucho más débil que la intensidad dispersa. where nm is the refractive index of the surrounding medium, np is the refractive index of the particle, <y> is the wavelength of the coherent light, and r is the radius of the particle. Integration over the angles gives the scattering cross section a. Asymmetry can be detected by using a cross-polarization arrangement to detect changes in polarization caused by asymmetry of the particle shape; this signal is much weaker than the scattered intensity.

Al enfocar el láser en el plano focal posterior del objetivo, se puede aplicar iluminación oblicua a la muestra. Si las partículas de interés están relativamente lejos de la superficie, la técnica puede funcionar en ángulos subcríticos para obtener cierta intensidad, es decir, una señal de una región interior de un canal o cámara o del interior de una gota en un cubreobjetos. Para un objetivo de inmersión en aceite, la distancia focal del objetivo Fobj se puede calcular a partir del lente focal del lente del tubo Fti y el aumento (Ma) usando: By focusing the laser onto the back focal plane of the objective, oblique illumination can be applied to the sample. If the particles of interest are relatively far from the surface, the technique can be operated at subcritical angles to obtain some intensity, i.e. a signal from an interior region of a channel or chamber or from the interior of a droplet on a coverslip. For an oil immersion objective, the objective focal length Fobj can be calculated from the tube lens focal length Fti and the magnification (Ma) using:

donde naceite índice de refracción del aceite de inmersión. Luego, el ángulo de incidencia se puede calcular a partir de la distancia de la posición del láser en la apertura posterior (plano focal posterior) desde el eje óptico (AX): where the refractive index of the immersion oil is born. Then, the angle of incidence can be calculated from the distance of the laser position at the rear aperture (back focal plane) from the optical axis (AX):

s s

donde se puede usar seno en lugar de tangente porque el objetivo se corrige para la condición de seno de Abbe. El ángulo en el agua se puede entonces calcular a partir de la ley de Snell: where sine can be used instead of tangent because the target is corrected for Abbe's sine condition. The angle in the water can then be calculated from Snell's law:

La longitud de coherencia es la distancia máxima en la que la luz es coherente consigo misma y depende del ancho espectral de la fuente de luz, por ejemplo, láser. Para ¡SCAT, una longitud de coherencia corta puede ayudar a evitar interferencias de muchas reflexiones. Los diodos láser tienen espectros relativamente amplios, por ejemplo,AX=2 nm; la longitud de coherencia L viene dada por: The coherence length is the maximum distance over which light is coherent with itself and depends on the spectral width of the light source, e.g. laser. For SCAT, a short coherence length can help avoid interference from many reflections. Laser diodes have relatively broad spectra, e.g. AX=2 nm; the coherence length L is given by:

y para un diodo láser típico puede ser tan corto como 100 pm. Por lo tanto, un reflejo procedente de una superficie trasera del lente objetivo normalmente no contribuirá a la señal de interferencia. and for a typical laser diode it can be as short as 100 pm. Therefore, a reflection from a rear surface of the objective lens will not normally contribute to the interference signal.

Las ecuaciones de Fresnel describen el coeficiente reflejado y transmitido de un medio 1 a un medio 2 dependiendo del ángulo de incidencia. Son, para luz polarizada s: The Fresnel equations describe the reflected and transmitted coefficient from medium 1 to medium 2 depending on the angle of incidence. They are, for s-polarized light:

Y para luz p-polarizada: And for p-polarized light:

En el ángulo de Brewster no hay luz reflejada para la polarización p, aunque la luz de un láser real normalmente no está perfectamente colimada ni polarizada, por lo que aún se producirá cierta reflexión. At the Brewster angle there is no reflected light for p polarization, although light from a real laser is typically not perfectly collimated or polarized, so some reflection will still occur.

El lente objetivo transforma ondas circulares en haces colimados y viceversa. Esto es matemáticamente similar a realizar una transformada de Fourier y la imagen en el plano focal posterior de un objetivo es la transformada de Fourier del plano focal. The objective lens transforms circular waves into collimated beams and vice versa. This is mathematically similar to performing a Fourier transform and the image in the back focal plane of an objective lens is the Fourier transform of the focal plane.

La Figura 8 muestra la geometría óptica relacionada con la generación de hologramas. Se supone que la región "Vidrio" tiene un índice de reflexión igual al del agua, de modo que se puedan comparar las longitudes relevantes; esto no se aplica si el plano focal está debajo de la interfaz. Figure 8 shows the optical geometry involved in hologram generation. The "Glass" region is assumed to have a reflection index equal to that of water, so that the relevant lengths can be compared; this does not apply if the focal plane is below the interface.

Con referencia a la Figura 8, la imagen de interferencia se crea por la diferencia de trayectoria entre la luz reflejada y la dispersada. Se supone que el sistema óptico (por ejemplo, el lente 128) transmite el holograma ampliado a la cámara. La luz dispersada recorre una distancia d0 desde la interfaz vidrio-agua hasta la partícula, y una distancia r desde la partícula hasta el plano focal. La luz reflejada no cruza el plano focal, pero la reflexión parece provenir del plano focal, a una distancia Ar, que es negativa para ángulos pequeños de 9W, donde 0w es el ángulo en el agua. Aquí se supone que la longitud de coherencia es lo suficientemente grande como para que los rayos paralelos tengan la misma fase. La diferencia de trayectoria es A = As- Ar= d0 r - An La geometría da, para la distancia de la trayectoria reflejada: Referring to Figure 8, the interference image is created by the path difference between the reflected and scattered light. The optical system (e.g. lens 128) is assumed to transmit the magnified hologram to the camera. The scattered light travels a distance d0 from the glass-water interface to the particle, and a distance r from the particle to the focal plane. The reflected light does not cross the focal plane, but the reflection appears to come from the focal plane, at a distance Ar, which is negative for small angles of 9W, where 0w is the angle in water. Here the coherence length is assumed to be large enough for parallel rays to have the same phase. The path difference is A = As- Ar= d0 r - An The geometry gives, for the reflected path distance:

donde Zf es la distancia del plano focal del objetivo a la interfaz reflectante y z es la distancia de la partícula al plano focal. Luego, para la diferencia de camino disperso: where Zf is the distance from the focal plane of the target to the reflecting interface and z is the distance from the particle to the focal plane. Then, for the scattered path difference:

Por lo tanto, la diferencia de longitud de camino es: Therefore, the difference in path length is:

y definiendo d como: and defining d as:

esto se puede reescribir como: This can be rewritten as:

con with

Esto define una imagen de interferencia u holograma que tiene una elipse de excentricidad e = |sen 9w| centrada alrededor de (x,y) = (dtan9w, 0). La elipse más interna está centrada alrededor del valor más pequeño posible de A, que corresponde a x= |z| tan 0w. Aquí es donde llegaría la luz si fuera reflejada por la partícula. A partir de la ecuación de Pcol, se encuentra que el holograma normalizado es: This defines an interference image or hologram that has an ellipse of eccentricity e = |sin 9w| centered around (x,y) = (dtan9w, 0). The innermost ellipse is centered around the smallest possible value of A, which corresponds to x= |z| tan 0w. This is where the light would arrive if it were reflected by the particle. From the Pcol equation, the normalized hologram is found to be:

Donde viene dado por la ecuación de dispersión de Rayleigh anterior. La intensidad debe integrarse sobre un píxe: Where is given by the Rayleigh scattering equation above. The intensity must be integrated over a pixel:

donde el ángulo sólido del píxel viene dado por: where the solid angle of the pixel is given by:

Las frecuencias espaciales del holograma están lideradas por el término cosO, con En el caso donde z = 0, x, y, y r están vinculados por x = rcos0, y = rsen0. The spatial frequencies of the hologram are led by the term cosO, with In the case where z = 0, x, y, and r are linked by x = rcos0, y = rsen0.

La transformada de Fourier de: The Fourier transform of:

comprende dos anillos con radio y centro ±sen0wnm/A. Si z £0 las frecuencias estarán ubicadas dentro del círculo. It comprises two rings with radius and center ±sin0wnm/A. If z £0 the frequencies will be located inside the circle.

La apertura numérica (NA) es una propiedad del lente objetivo y describe el ángulo de incidencia máximo 0max en un<medio con índice de refracción n que es aceptado por el objetivo. Está dada por NA = nsen0max y está relacionada con 2NA>The numerical aperture (NA) is a property of the objective lens and describes the maximum angle of incidence 0max in a medium with refractive index n that is accepted by the objective. It is given by NA = nsin0max and is related to 2NA>

la frecuencia máxima resoluble mediante el límite de difracción de abbe Esto se puede utilizar para the maximum resolvable frequency by the Abbe diffraction limit This can be used to

calcular el tamaño de píxel útil (px) como la frecuencia máxima que se puede resolver comol y por lo calculate the useful pixel size (px) as the maximum frequency that can be resolved asl and therefore

tanto, el tamaño de píxel debe ser menor quev r Para detectar el círculo de Fourier descrito anteriormente la apertura numérica debe ser tal <f maxAbbey por lo tantoN Therefore, the pixel size must be less thanv r To detect the Fourier circle described above the numerical aperture must be such <f maxAbbey thereforeN

Aplicaciones Applications

Las aplicaciones de los sistemas descritos incluyen localizar y/o rastrear una o más partículas. Applications of the described systems include locating and/or tracking one or more particles.

Por ejemplo, al ajustar una imagen de interferencia capturada a la ecuación anterior para un holograma elíptico, se puede determinar una profundidad o posición 3D de la partícula a partir de una distancia de una partícula desde el plano focal del lente objetivo y/o desde la interfaz reflectante (distancia z arriba). For example, by fitting a captured interference image to the above equation for an elliptical hologram, a particle's depth or 3D position can be determined from a particle's distance from the objective lens focal plane and/or from the reflective interface (z-up distance).

En otra aplicación, se puede seguir una partícula en una, dos o tres dimensiones, en cuyo caso la cámara puede ser una cámara de vídeo. Esto puede permitir caracterizar una partícula determinando un coeficiente de difusión para la partícula, que depende de un tamaño efectivo o hidrodinámico de la partícula. El coeficiente de difusión depende del desplazamiento cuadrático medio de una partícula por unidad de tiempo. In another application, a particle can be tracked in one, two, or three dimensions, in which case the camera may be a video camera. This may allow a particle to be characterized by determining a diffusion coefficient for the particle, which depends on an effective or hydrodynamic size of the particle. The diffusion coefficient depends on the mean square displacement of a particle per unit time.

En algunas implementaciones, una partícula puede estar confinada en la dirección z, por ejemplo, en un canal de microfluidos. Esto puede ayudar a que las partículas se encuentren con mayor frecuencia en el plano focal del objetivo o atravesándolo, donde la señal es más alta. In some implementations, a particle may be confined in the z-direction, for example in a microfluidic channel. This can help particles to more frequently be found in or across the focal plane of the target, where the signal is highest.

Puede usarse procesamiento de imágenes para mejorar la señal, por ejemplo, promediando fotogramas de imágenes de interferencia para determinar un fondo que se resta. Dado que la señal surge de la interferencia, después de dicha resta la señal puede ser positiva o negativa, lo que debe tenerse en cuenta al promediar. Por ejemplo, la señal se puede promediar durante un tiempo menor que el tiempo durante el cual viaja un cuarto de longitud de onda en la dirección z. Cuando se emplea la resta de fondo, una estática, por ejemplo, la partícula unida se puede detectar moviendo el canal/cámara en la que está unida la partícula. Image processing can be used to enhance the signal, for example by averaging interference image frames to determine a background which is subtracted. Since the signal arises from interference, after such subtraction the signal can be positive or negative, which must be taken into account when averaging. For example, the signal can be averaged over a time shorter than the time it takes to travel a quarter wavelength in the z direction. When background subtraction is employed, a static, for example, bound particle can be detected by moving the channel/chamber in which the particle is bound.

En general, es deseable minimizar las vibraciones, por ejemplo, utilizando una mesa antivibración, ya que éstas mueven los patrones de interferencia y pueden eliminar la señal. In general, it is desirable to minimize vibrations, for example by using an anti-vibration table, as these move interference patterns and can eliminate the signal.

El límite de la cámara o canal que define la interfaz es típicamente un límite interno del canal/cámara, es decir, una interfaz con la solución. En principio, sin embargo, podría tratarse de un límite exterior del canal/cámara. En principio, la interfaz podría ser curva, en cuyo caso la luz coherente iluminaría la partícula en un ángulo oblicuo con respecto a un plano tangente a la interfaz en el punto de iluminación. En principio, la iluminación podría estar cerca o en un borde de absorción de una partícula fotografiada. The chamber or channel boundary defining the interface is typically an internal channel/chamber boundary, i.e. an interface with the solution. In principle, however, it could be an external channel/chamber boundary. In principle, the interface could be curved, in which case coherent light would illuminate the particle at an oblique angle to a plane tangent to the interface at the illumination point. In principle, the illumination could be near or at an absorption edge of an imaged particle.

Al experto se le ocurrirán muchas alternativas. La invención no se limita a las realizaciones descritas y abarca modificaciones evidentes para los expertos en la técnica que se encuentran dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas. Many alternatives will occur to the skilled person. The invention is not limited to the embodiments described and encompasses modifications obvious to those skilled in the art which are within the scope of the appended claims.

Claims (15)

REIVINDICACIONES 1. Un método para aumentar el contraste de la señal en microscopía óptica de dispersión interferométrica, el método comprende:1. A method for increasing signal contrast in interferometric scattering optical microscopy, the method comprising: proporcionar una región de detección de partículas (114) que tiene un límite definido por una interfaz (122); iluminar una partícula en la región de detección de partículas (114) con luz coherente usando un lente objetivo (112) de modo que la luz se refleje desde la interfaz (122) y se disperse por la partícula;providing a particle detection region (114) having a boundary defined by an interface (122); illuminating a particle in the particle detection region (114) with coherent light using an objective lens (112) such that the light is reflected from the interface (122) and scattered by the particle; capturar la luz reflejada y la luz dispersada usando el lente objetivo (112); y proporcionar la luz reflejada y dispersada capturada a un dispositivo de imágenes (130) para obtener interferencia de imágenes entre la luz reflejada y la luz dispersada;capturing the reflected light and the scattered light using the objective lens (112); and providing the captured reflected and scattered light to an imaging device (130) to obtain interference images between the reflected light and the scattered light; en el que el lente objetivo (112) tiene un eje óptico, el método comprende, además,wherein the objective lens (112) has an optical axis, the method further comprises: proporcionar luz coherente al lente objetivo (112) desplazada del eje óptico del lente objetivo (112).providing coherent light to the objective lens (112) offset from the optical axis of the objective lens (112). de modo que un ángulo medio de incidencia de la luz coherente que ilumina la partícula forma un ángulo oblicuo con respecto a la interfaz (122).so that a mean angle of incidence of the coherent light illuminating the particle forms an oblique angle with respect to the interface (122). 2. Un método como se reivindicó en la reivindicación 1, que comprende además polarizar linealmente la luz coherente que ilumina la partícula de manera que la luz coherente que ilumina la partícula esté parcial o completamente polarizada p con respecto a un plano de incidencia de la luz coherente sobre la interfaz (122).2. A method as claimed in claim 1, further comprising linearly polarizing the coherent light illuminating the particle such that the coherent light illuminating the particle is partially or completely p-polarized with respect to a plane of incidence of the coherent light on the interface (122). 3. Un método como se reivindicó en la reivindicación 1 o 2, en el que el ángulo oblicuo define sustancialmente el ángulo de Brewster para la luz coherente en la interfaz (122).3. A method as claimed in claim 1 or 2, wherein the oblique angle substantially defines the Brewster angle for coherent light at the interface (122). 4. Un método como se reivindicó en la reivindicación 1, 2 o 3, que comprende además ajustar el ángulo oblicuo para maximizar la relación señal a ruido de la interferencia entre la luz reflejada y la luz dispersada.4. A method as claimed in claim 1, 2 or 3, further comprising adjusting the oblique angle to maximize the signal to noise ratio of the interference between the reflected light and the scattered light. 5. Un método como se reivindicó en una cualquiera de las reivindicaciones 1-4 que comprende proporcionar la partícula en solución (118) y usar una cámara o canal (116) con un par de límites opuestos configurados para restringir el- A . A. -movimiento de la partícula en una dirección a lo largo del eje óptico a una distancia menor que 2 o 2, donde A es la longitud de onda de la luz coherente.5. A method as claimed in any one of claims 1-4 comprising providing the particle in solution (118) and using a chamber or channel (116) with a pair of opposing boundaries configured to restrict the- A . A. -motion of the particle in a direction along the optical axis to a distance less than 2 or 2, where A is the wavelength of coherent light. 6. Un método como se reivindicó en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la partícula comprende una molécula biológica en solución acuosa.6. A method as claimed in any one of claims 1 to 5, wherein the particle comprises a biological molecule in aqueous solution. 7. Un método como se reivindicó en cualquier reivindicación anterior, que comprende además procesar la interferencia reflejada para determinar una diferencia entre la interferencia reflejada en dos momentos diferentes, y Fourier transforma la diferencia para caracterizar la partícula o una solución de las partículas.7. A method as claimed in any preceding claim, further comprising processing the reflected interference to determine a difference between the reflected interference at two different times, and Fourier transforming the difference to characterize the particle or a solution of the particles. 8. Un microscopio óptico de dispersión interferométrica, el microscopio comprende:8. An interferometric scattering optical microscope, the microscope comprises: una región de detección de partículas (114) que tiene un límite definido por una interfaz (122);a particle detection region (114) having a boundary defined by an interface (122); una fuente (202) de luz coherente;a source (202) of coherent light; un lente objetivo (112) para dirigir la luz coherente para iluminar una partícula en la región de detección de partículas (114) de manera que la luz se refleje desde la interfaz (122) y se disperse por la partícula;an objective lens (112) for directing the coherent light to illuminate a particle in the particle detection region (114) such that the light is reflected from the interface (122) and scattered by the particle; en el que el lente objetivo (112) tiene un eje óptico y está configurada para capturar la luz reflejada y la luz dispersada; ywherein the objective lens (112) has an optical axis and is configured to capture reflected light and scattered light; and un dispositivo de formación de imágenes (130) configurado para visualizar la interferencia entre la luz reflejada y la luz dispersada; yan imaging device (130) configured to visualize the interference between the reflected light and the scattered light; and en el que una trayectoria óptica de la luz coherente hacia el lente objetivo (112) está desplazada del eje óptico del lente objetivo (112) de manera que un ángulo de incidencia promedio de la luz coherente que ilumina la partícula forma un ángulo oblicuo con respecto a la interfaz.wherein an optical path of the coherent light to the objective lens (112) is offset from the optical axis of the objective lens (112) such that an average angle of incidence of the coherent light illuminating the particle forms an oblique angle with respect to the interface. 9. Un microscopio como se reivindicó en la reivindicación 8, en el que la fuente de luz coherente está polarizada linealmente de manera que la luz coherente que ilumina la partícula está parcial o completamente polarizada p con respecto a un plano de incidencia de la luz coherente sobre la interfaz (122).9. A microscope as claimed in claim 8, wherein the coherent light source is linearly polarized such that the coherent light illuminating the particle is partially or completely p-polarized with respect to a plane of incidence of the coherent light on the interface (122). 10. Un método o microscopio como se reivindicó en cualquier reivindicación anterior, en el que la luz coherente que ilumina la partícula en un ángulo oblicuo comprende un haz colimado de luz coherente, y en el que la luz coherente proporcionada al lente objetivo (112) se enfoca en un plano focal posterior (110) del lente objetivo (112).10. A method or microscope as claimed in any preceding claim, wherein the coherent light illuminating the particle at an oblique angle comprises a collimated beam of coherent light, and wherein the coherent light provided to the objective lens (112) is focused in a back focal plane (110) of the objective lens (112). 11. Un método o microscopio como se reivindicó en cualquier reivindicación anterior, en el que un ángulo de incidencia de la luz coherente en la interfaz (122) está entre i) un valor de ángulo en el que, en el dispositivo de formación de imágenes (130), una intensidad de la luz reflejada es mayor que la intensidad de la luz reflejada desde una superficie posterior del lente objetivo (112), y ii) el valor del ángulo más 10 grados.11. A method or microscope as claimed in any preceding claim, wherein an angle of incidence of the coherent light at the interface (122) is between i) an angle value at which, in the imaging device (130), an intensity of the reflected light is greater than an intensity of the light reflected from a rear surface of the objective lens (112), and ii) the angle value plus 10 degrees. 12. Un método o microscopio como se reivindicó en cualquier reivindicación anterior, que comprende además un filtro espacial fuera de eje en o adyacente a un plano de Fourier del lente objetivo (112) configurado para enmascarar selectivamente una región del plano de Fourier desplazada del eje óptico en una dirección opuesta al desplazamiento desde el eje óptico de la trayectoria óptica de la luz coherente hasta el lente objetivo (112).12. A method or microscope as claimed in any preceding claim, further comprising an off-axis spatial filter in or adjacent to a Fourier plane of the objective lens (112) configured to selectively mask a region of the Fourier plane displaced from the optical axis in a direction opposite to the displacement from the optical axis of the coherent light optical path to the objective lens (112). 13. Un método o microscopio como se reivindicó en cualquier reivindicación anterior, en el que una máscara de filtro espacial está situada en o adyacente a un plano focal posterior (110) del lente objetivo (112) o en un plano focal de la luz coherente, y está configurada para enmascarar una región ubicada en el foco de una reflexión de la luz coherente desde la interfaz (122) y/o en la que la luz coherente está polarizada, y se proporciona un analizador con una polarización ortogonal en una trayectoria óptica entre la partícula y el dispositivo de obtención de imágenes (130).13. A method or microscope as claimed in any preceding claim, wherein a spatial filter mask is positioned at or adjacent to a back focal plane (110) of the objective lens (112) or at a focal plane of the coherent light, and is configured to mask a region located at the focus of a reflection of the coherent light from the interface (122) and/or in which the coherent light is polarized, and an analyzer with an orthogonal polarization is provided in an optical path between the particle and the imaging device (130). 14. Un microscopio como se reivindicó en cualquiera de las reivindicaciones 8 a 13, que comprende además un procesador para procesar la interferencia de la imagen para determinar una diferencia entre la interferencia de la imagen en dos momentos diferentes, y transformar la diferencia de Fourier para caracterizar la partícula o una solución de las partículas.14. A microscope as claimed in any one of claims 8 to 13, further comprising a processor for processing the image interference to determine a difference between the image interference at two different times, and Fourier transforming the difference to characterize the particle or a solution of the particles. 15. Un método o microscopio como se reivindicó en cualquier reivindicación anterior, en el que una superficie trasera del lente objetivo (112) está curvada y/o en el que la región de detección de partículas comprende una cámara o canal (116).15. A method or microscope as claimed in any preceding claim, wherein a rear surface of the objective lens (112) is curved and/or wherein the particle detection region comprises a chamber or channel (116).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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GB202010411D0 (en) * 2020-07-07 2020-08-19 Cambridge Entpr Ltd Interferometric scattering optical microscopy
FR3139916B1 (en) * 2022-09-19 2024-09-20 Inst Doptique Graduate School Optical microscope with resonator
WO2024186256A1 (en) * 2023-03-06 2024-09-12 Holtra Ab Method and device for interferometric microscopy
WO2024186257A1 (en) * 2023-03-06 2024-09-12 Holtra Ab Interferometric microscopy
CN116481983B (en) * 2023-04-26 2024-03-22 之江实验室 Coaxial interference scattering microscopic imaging device and method based on polarized illumination
CN119780040B (en) * 2024-12-25 2025-09-26 哈尔滨工业大学 Phase difference coherent Fourier scattering surface particle detection device and method

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4096745A (en) 1976-02-13 1978-06-27 Ilya Yakovlevich Rivkin Method and apparatus for measuring mass flow rate of individual components of two-phase gas-liquid medium
US4999681A (en) * 1988-06-24 1991-03-12 Mader David L Real-time halographic interferometry with a pulsed laser and flicker-free viewing
IL142782A0 (en) * 2001-04-24 2002-03-10 Yeda Res & Dev Objective-type dark field scattering microscope
US20050145496A1 (en) 2003-04-03 2005-07-07 Federico Goodsaid Thermal reaction device and method for using the same
WO2005054780A1 (en) * 2003-11-28 2005-06-16 The General Hospital Corporation Method and apparatus for three-dimensional spectrally encoded imaging
US10359361B2 (en) 2011-02-18 2019-07-23 The General Hospital Corporation Laser speckle micro-rheology in characterization of biomechanical properties of tissues
DE102011004819A1 (en) 2011-02-28 2012-08-30 Carl Zeiss Microimaging Gmbh Microscope with multispectral object illumination
EP2713878B1 (en) 2011-05-26 2021-07-07 The General Hospital Corporation Optical thromboelastography system and method for evaluation of blood coagulation metrics
EP2602608B1 (en) 2011-12-07 2016-09-14 Imec Analysis and sorting of biological cells in flow
GB201318919D0 (en) 2013-10-25 2013-12-11 Isis Innovation Compact microscope
FR3027107B1 (en) 2014-10-09 2019-09-13 Espci Paristech METHOD AND DEVICE FOR OPTICALLY DETECTING NANOPARTICLES IN A FLUID SAMPLE
GB201507021D0 (en) 2015-04-24 2015-06-10 Isis Innovation Compact microscope
EP3289333B1 (en) 2015-04-27 2024-07-31 Illumina France SARL Methods of identifying and/or tracking particles in a droplet, wherein the particle can be a cell
US11397163B2 (en) 2015-09-07 2022-07-26 Max-Planck-Gesellschaft Zur Foerderung Der Wissenschaften E. V. Method and apparatus for detecting particles, like biological macromolecules or nanoparticles
WO2017136664A1 (en) 2016-02-05 2017-08-10 Purdue Research Foundation System and methods of analyzing particles in a fluid
GB2552195A (en) * 2016-07-13 2018-01-17 Univ Oxford Innovation Ltd Interferometric scattering microscopy
EP3276389A1 (en) * 2016-07-27 2018-01-31 Fundació Institut de Ciències Fotòniques A common-path interferometric scattering imaging system and a method of using common-path interferometric scattering imaging to detect an object
WO2018047239A1 (en) 2016-09-06 2018-03-15 オリンパス株式会社 Observation device
DE102017107733B4 (en) 2017-04-10 2019-01-31 Leica Microsystems Cms Gmbh Light sheet microscope and retrofit kit for this
WO2018190162A1 (en) 2017-04-14 2018-10-18 リオン株式会社 Particle measuring device and particle measuring method
GB201819033D0 (en) 2018-11-22 2019-01-09 Cambridge Entpr Ltd Particle characterization using optical microscopy
GB201819029D0 (en) 2018-11-22 2019-01-09 Cambridge Entpr Ltd Optical microscopy
EP3667256A1 (en) 2018-12-14 2020-06-17 Nederlandse Organisatie voor toegepast- natuurwetenschappelijk onderzoek TNO Device and method for performing ultrasonic measurements of fluid properties
GB202010411D0 (en) 2020-07-07 2020-08-19 Cambridge Entpr Ltd Interferometric scattering optical microscopy
CN112511062B (en) 2020-10-23 2022-06-17 中颖电子股份有限公司 Permanent magnet synchronous motor starting and low-speed running method

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